基于ANSYS的武汉长江二桥非线性有限元分析

收稿日期:2006209212.作者简介:王应军(19672),男,副教授;武汉,武汉理工大学理学院(430070).基于ANS Y S 的武汉长江二桥非线性有限元分析王应军1　梅曙辉1　李卓球1　宋显辉1(1.武汉理工大学　理学院,湖北　武汉　430070)摘　要:应用大型有限元分析软件AN SYS ,对武汉长江二桥的主要构件梁、索、塔、普通钢筋和预应力钢筋分别采用不同的单元进行了有限元模拟.考虑了斜拉索自重作用下垂度引起的几何非线性效应、梁柱效应和结构大位移效应等3种非线性效应的影响,计算了大桥在静载作用下的应力、应变和挠度.计算的结果与成桥后荷载试验的结果相符,表明采用的方法是可行的.关键词:有限元;　静态分析;　斜拉桥;　非线性中图分类号:U 448.27;O 241.81 文献标识码:A 文章编号:167227037(2006)S 220042202 斜拉桥主要的组成构件是梁、索和塔,理想的受力状态是斜拉索受拉,主梁和索塔尽可能地承受压力而不承受弯矩作用.因而斜拉桥的结构表现出以下一些特点:利用一系列拉索代替相应的支承结构,大大减少了主梁的弯矩,降低梁高,节省了材料;可以人为地对拉索索力进行调整,达到改变全桥受力状态使其最大限度满足设计者期望的受力状态;斜拉桥是一种自锚体系,下部结构比较经济.因此,在跨径400～1500m 的范围内,斜拉桥为最常见的桥梁结构形式.作为一种高次超静定结构,其计算分析的精确程度直接关系到设计的优劣与施工过程中的安全.斜拉桥跨度不断增大,整体结构在恒载及拉索张拉力作用下表现出明显的非线性特征:斜拉索垂度效应;梁柱效应;大位移效应.在总结前人经验的基础上,提出了一套全面考虑斜拉桥几何非线性因素的有限元方法,综合考虑了梁索塔三者联结的边界条件以及它们的受力特点,特别是预应力筋的作用、拉索初始张力等因素,应用大型通用有限元软件AN SYS 对其进行了详细的空间有限元非线性分析.1　ANS Y S 非线性分析基本过程AN SYS 非线性分析将荷载分解成一系列增量的荷载步,在每一荷载步内进行一系列线性逼近以达到平衡,利用更新单元空间方位作为结构变形来解决大变形问题,通过应力刚化解决由应力状态引起的结构刚度变化.另外,AN SYS 提供了一系列命令来增强问题的收敛性,如自适应下降、线性搜索、自动荷载步和二分法等.本文主要利用AN SYS 的参数化设计语言(A PDL ),将斜拉桥考虑非线性的分析方法引入到AN SYS 软件中,使AN SYS 能够实现斜拉桥的非线性分析.a .定义参数数组,存储索力、初应变、有效弹性模量及截面面积等.b .以AN SYS 命令流格式,编写建立斜拉桥有限元模型的数据文件,包括结构的节点信息、单元信息、材料信息、实常数信息、约束信息以及荷载信息.由于AN SYS 未直接提供输入斜拉索初始索力(或成桥索力)的方法,斜拉索的索力通过指定初应变实现,初应变采用虎克定律计算.考虑垂度影响,斜拉索的弹性模量采用等效弹性模量,按E rn st 公式计算.c .采用AN SYS 命令设置分析类型,求解结构变形和单元内力,即AN T YPE ,STA T I C !进行静力分析NL GEOM ,1　!考虑大变形效应AU TO T S ,1　!自动时间步长SST IF ,ON !考虑应力刚化SOL CON TROL ,O !进行优化非线性分析SOLV E !进行求解d .索力迭代.从计算结果中提取斜拉索索力,计算新的初应变,检查(计算索力2初始索力) (初始索力)是否小于允许值.若大于允许值,则将计算所得的索力作为成桥索力,修改斜拉索单元第23卷增刊22006年12月华　中　科　技　大　学　学　报(城市科学版)J.of HU ST.(U rban Science Editi on )V o l .23Sup.2D ec .2006实常数,采用新的初应变重复步骤c 和d 进行计算;若小于允许值,则迭代终止,输出计算结果.2　模型的建立和计算以恒载作为荷载施加在结构(图1)上,进行有限元分析(表1,2),通过计算后得到结构的挠度(图2和3,表3).图1　武汉长江二桥有限元模型表1　单元类型和材料特性位置单元类型材料弹性模量 Pa 泊松比质量密度 kg ・m -3索L ink 10高强钢丝1.98×10110.37850预应力配筋L ink 10钢筋2.1×10110.37800普通钢筋L ink 8钢筋2.1×10110.37800塔So lid 65预应力钢筋混凝土3.4×10100.22600梁So lid 45钢筋混凝土3.5×10100.1682600表2　有限元模型规模项目主塔主梁拉索预应力钢筋普通钢筋合计单元数310421535619614828546724780208节点数321016 表3　理论计算挠度与实测挠度比较位　置挠　度 mm实测值计算值误差 %上游中心处1651745.4下游中心处1631725.5图2　自重荷载作用下挠度图3　自重荷载作用下全桥挠度3　结　论应用大型有限元分析软件AN SYS 对武汉长江二桥的主要构件梁、索、塔、普通钢筋和预应力钢筋分别采用不同的单元进行有限元模拟,考虑了斜拉索自重作用下垂度引起的几何非线性效应、梁柱效应和结构大位移效应等3种非线性效应的影响,计算了大桥在恒载作用下的应力、应变和挠度,计算的结果与成桥后荷载试验的结果相符,表明本文采用的方法是可行的.AN SYS 的二次开发技术可使这一通用有限元软件在特定的应用范围内发挥最大效率.掌握和运用好AN SYS 的二次开发技术,可使AN SYS 具备解决桥梁结构分析问题的能力,无需花费大量人力、物力开发专门的桥梁结构分析软件,因此利用AN SYS 的二次开发技术实现斜拉桥的非线性分析是切实可行的.参考文献[1]　辛克贵,刘钺强,杨国平.大跨度斜拉桥恒载非线性静力分析[J ].清华大学学报(自然科学版),2002,42(6):8182821.[2]　N az m y A S ,A bdel 2Ghaffar A M .T h ree 2di m en 2si onal non linear static analysis of cab le 2stayed b ridges [J ].Compu &Struc ,1990,34:2572271.[3]　袁万城,崔　飞,张启伟.桥梁健康监测与状态评估的研究现状与发展[J ].同济大学学报,1999,27(2):1842188.[4]　M u ria vila D ,Gom ez R ,K ing C .D ynam ic struc 2tu ral p roperties of cab le stayed T amp ico B ridge [J ].Jou rnal of Structu ral Engineering ,A SCE ,1991,117(11):339623416.[5]　张启伟.大型桥梁健康监测概念与监测系统设计[J ].同济大学学报,2001,29(1):65269.(下转第46页)・34・增刊2王应军等:基于AN SYS 的武汉长江二桥非线性有限元分析 越多网格划分精度越高,分析得到的结果越精确.但在分析中,应该综合考虑各种因素确定合适的单元.对于空心型叶片,通过自由划分的方法,且对局部进行了适当的修改.选用合适的单元(本文为Shell 63)划分,能较好地分析固有振动特性.c .分析了空心型叶片设计应注意的一些问题,为进一步分析叶片动力学特性提供了依据.此方法仅需修改少量参数就可以用于其他类型的叶片的分析,提高了叶片分析的效率.参考文献[1]　包能胜,曹人靖,叶枝全.风力机桨叶结构振动特性有限元分析[J ].太阳能学报,2000,(1):77281.[2]　龚曙光.AN SYS 工程应用实例解析[M ].北京:机械工业出版社,2003.[3]　俞载道.结构动力学基础[M ].上海:同济大学出版社,1987.F i n ite Elem en t Ana lysis for I nheren tM ode of Blade of W i nd Turb i neW A N G Y ing 2jun 1　P E I P eng 2y u1(1.Schoo l of Sci .,W U T ,W uhan 430070,Ch ina )Abstract :Inheren t m ode is very i m po rtan t in dynam ical analysis and the resu lt of inheren t m ode analysis can be u sed as criteri on of m any dynam ic characteristics as w ell as basic date of fu rther analysis .T ak ing the b lade of a w ind tu rb ine as an exam p le ,w h ich is been con sidered as a can tilever and the equati on of dynam ic fo r b lade is estab lished by FE M .D ynam ic characteristics of the b lade are analyzed u sing AN SYS .In the calcu lati on ,the vib rati on of the b lade is divided in to th ree k inds ofvib rati on s ,such as flap ,flu tter and to rsi on .T he first 10inherencies and m odal figu res are given .T he characteristics of natu ral frequency and m ode shap e ,and the disadvan tageou s effect of the differen t m ode shap es on the b lade vib rati on m ode are analyzed .T he analysis is help fu l fo r dynam ic analysis of w ind tu rb ine .Key words :w ind tu rb ine ;b lade ;AN SYS ;FE M ;dynam ic analysis(上接第43页)Non l i near FE M Ana lysis on W uhan Second Yangtze R iver Br idge by ANS Y SW A N G Y ing 2jun 1　M E I S hu 2hu i 1　L I Z huo 2qiu 1　SON G X ian 2hu i1(1.Schoo l of Sci .,W U T ,W uhan 430070,Ch ina )Abstract :A fin ite elem en t m odel of a large cab le 2stayed p re 2stress steel 2reinfo rced concrete b ridge ,w h ich is nam ed W uhan Second Yangtze R iver B ridge located in W uhan is created .T he m odel is analyzed by AN SYS softw are .T he m odel includes 4typ es of elem en ts such as So lid 45elem en trep resen ts reinfo rced concrete beam ,So lid 65elem en t rep resen ts the p re 2stress steel 2reinfo rced concrete tow ers ,L ink 10elem en t rep resen ts h igh stress cab les and L ink 8elem en t rep resen ts p re 2stress rebar .T he b ridge’s static non linear behavi o r is analyzed ,w h ich includes the cab le sag effect ,the beam 2co lum n effect and the large disp lacem en t effect .T he vertical disp lacem en t is com p u ted .T he resu lts of fin ite elem en t analysis show the m odel is co rrect and the resu lts co incide w ith the tested resu lts w ell.Key words :FE M ;static analysis ;cab le 2stayed b ridges ;non linear・64・ 华　中　科　技　大　学　学　报(城市科学版) 2006年。