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.2

D 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1.98×10110.3

7850预应力配筋L ink 10钢筋2.1×10110.37800普通钢筋L ink 8钢筋2.1×10110.3

7800塔So lid 65预应力钢

筋混凝土

3.4×1010

0.2

2600梁

So lid 45

钢筋

混凝土

3.5×10100.168

2600

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

163

172

5.5

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

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