斜拉桥模型

斜拉桥模型（精选2篇）

斜拉桥模型 篇1

1 工程概况

哈尔滨松浦大桥主桥设计方案采用独塔双索面叠合梁斜拉桥, 主塔高度127.0m桥跨布置为268+142+66=476m;主梁与主塔之间设置固定支座。上部结构采用钢-混凝土连续叠合梁, 其中钢主梁采用工字形断面, 梁高2.45m, 混凝土桥面板厚度为0.25 m;桥面全宽35.0 m。

2 有限元模型的简化

桥塔:对桥塔结构的研究本身就可以是一个不小的课题。在以全桥为研究对象的模型里面, 更应该着眼于整体。桥塔的各段均是形状较规则的箱梁, 在各段的结合部分构造稍显复杂, 如果桥塔采用实体单元并划分过细, 整个模型将相当庞大, 现有的模拟计算环境将难以胜任。所以将桥塔简化为梁单元的组合。

桥面系:叠合梁是典型的开口型截面, 对于由两根分离式钢主梁与预应力混凝土桥面板相结合的叠合梁桥面系, 可以采用双主梁模型来模拟。这种模型由两根主梁组成, 中间用横梁连接, 并与桥面板固结, 即用梁单元建立钢主梁和横梁, 用壳单元建立混凝土桥面板, 间距取为原桥面系钢主梁的间距, 横梁的间距取为索距。桥面系的质量根据实际情况自然分配到主梁和横梁上。混凝土桥面板与钢梁的连接形式用MPC BEAM约束功能模拟。

斜拉索:以每根斜拉索为一个索单元, 斜拉索锚固点为梁单元的自然节点, 斜拉索与主塔和主梁的连接方式是梁单元节点与索节点之间通过刚性连杆相联, 两点间为主从约束关系, 从而使得刚性连杆只出现刚体转动。具体实现方法是利用多点约束MPC功能和ELEMENT-LINK来定义索节点与梁单元节点的约束, 两点之间自动生成刚臂。当进行线性计算或忽略斜拉索垂度效应影响时, 约束关系为MPC Beam;当考虑斜拉索垂度效应影响时, 约束关系为LINK。

在单元选择上, 采用ABAQUS中Truss单元的T3D2来模拟斜拉索, 壳单元S4R模拟混凝土桥面板, 梁单元B33模拟主梁和桥塔。根据叠合梁的构造特点, 壳单元和梁单元在节点处以MPC Beam约束方式连接。

如图1所示。

3 模型中的几个关键问题的处理

3.1 斜拉索垂度效应的模拟

目前, 斜拉索的模拟的主要方法有:等效弹性模量直杆单元法, 即用考虑垂度变化影响的有效弹性模量的直杆来代替实际拉索;多段直杆法:即将斜拉索处理为多段弹性直杆单元, 用分段的铰接杆来离散拉索, 拉索的自重和外荷载作用在节点上, 杆的轴向刚度需要考虑重力刚度;曲线索单元法:当拉索比较长时, 可用一个或多个曲线单元来模拟在自重作用下形成的悬链线形状, 其刚度矩阵可由多项式或拉格朗日插值函数并考虑拉索在节点上的位移关系来确定。

本文在ABAQUS中建模时, 采用等效弹性模量直杆单元法来考虑斜拉索由于内力的改变而导致的材料弹性模量的改变引起的非线性, 并定义斜拉索两端约束形式为铰接来考虑斜拉索变形后索力方向的改变而导致结构变形的非线性影响。另外ABAQUS前处理中提供了单元初始条件的设定, 可以利用INITIAL CONDITION模块对索单元施加初应力来模拟斜拉索的张拉。

3.2 梁柱效应的模拟

ABAQUS/Standard中刚度矩阵的计算包括由于施加载荷引起的单元刚度计算项, 称为载荷刚度的计算。这些计算项目有效的改善了收敛性行为。另外缆索和梁中的轴向荷载都对结构在横向荷载响应中的刚度产生很大影响。通过包含几何非线性, 在对横向载荷的响应中也考虑了梁刚度[3]。

对于梁柱效应, 可以利用ABAQUS的梁单元库, 对不同类型的梁元进行选择。B31和B31 H属于线弹性梁单元, 此类梁单元的截面对于轴力和弯矩的响应是相互独立的, 也就是说B31和B31H不会因为轴向力而产生附加弯矩, 因此当不计入梁柱效应时则选择此单元;当计入梁柱效应时则转换为欧拉-贝努力梁单元B33和B33H。

3.3 各施工状态的模拟

用ABAQUS程序进行施工阶段计算时, 先生成成桥状态的模型, 然后在计算模块中, 用分析步的先后顺序来控制施工顺序, 并利用分析步中的MODEL CHANGE功能Remove和Add来实现单元的移除和还原。

在单元移除的分析步开始, ABAQUS把将要移去部分施加给剩余部分的作用力存储下来, 在整个分析步中, 逐渐将这个作用力减小为零。也就是说, 只有到了分析步结束, 移去部分对剩余部分的作用才真正被完全移去。这样处理是为了保证移去部分对整个模型的影响平滑。但是从该分析步一开始就不进行有关移去单元的计算了, 直至在后面的某个分析步中再用MODEL CHANGE将其重新激活为止。

在第一个分析步开始时, 移除施工阶段所有单元, 在后续的分析步中逐步激活各个施工阶段对应的单元, 逐步形成结构, 这样就模拟了斜拉桥的施工过程。

4 结语

在有限元建立之初, 必须明确研究目的。不同的研究目的, 建立的模型会有所不同。为了能够很好地达到几何非线性静力分析的研究目的, 并能够适应现有的计算环境和条件, 必须对有限元模型进行简化处理。通过对斜拉桥几何非线性效应的模拟和施工状态的仿真, 为斜拉桥的几何非线性静力分析研究提供一种新途径, 为大型桥梁技术设计阶段提供了有价值的参考。

参考文献

[1]苏成, 韩大建, 王乐文.大跨度斜拉桥三维有限元动力模型的建立[J].华南理工大学学报, 1999, 11.

[2]刘士林, 王似舜.斜拉桥设计[M].北京:人民交通出版社, 2002.

[3]Hibbitt, Karlsson&Sorensen, 朱以文[译].ABAQUS/Standard有限元软件入门指南[M].

斜拉桥模型 篇2

ANSYS提供的优化方法是一个很完善的处理方法，可以很有效地处理大多数的工程问题，适合于精确的优化分析。对于这种方法，ANSYS提供了一系列的分析→评估→修正的循环过程，即对于初始设计进行分析，对分析结果就设计要求进行评估，然后修正，这一循环过程重复进行，直到所有的设计要求都满足为止[1]。

(1)设计变量V(或设计参数)。ANSYS的设计变量为自变量(如结构的尺寸、材料特性等)。通过设计变量的数字变化来实现结果的优化，设计变量的上下限决定了设计变量的变化范围。(2)状态变量W(或状态参数)。状态变量是设计变量的函数，通过定义状态变量能实现状态变量对设计的约束。计算得到的内力、应力、位移等都可以采撷下来赋予状态变量，作为整个优化设计的条件(或约束)。(3)目标变量f(V)(或目标参数)。目标变量也是设计变量的函数，是设计者希望其最终值尽量小的变量。计算得到的内力、应力、位移等都可以作为设计的优化目标。在ANSYS优化设计中，目标变量只能定义一个[2]。

2 斜拉桥主塔有限元模型初始参数

依据斜拉桥主塔结构的设计图纸，利用ANSYS建立初始有限元模型。有限元模型见图1，模型中材料参数取值见表1，各部位截面惯性矩取值见表2。

注:下塔柱由下至上为1-3,IZZ为ANSYS中beam4单元绕Y轴的惯性矩，为IYY绕Z轴惯性矩。

3 利用ansys优化设计功能进行结构动力有限元模型修正

3.1 斜拉桥主塔模态测试

某斜拉桥混凝土索塔采用门型塔，承台以上塔高226.14 m，自桥面起的高度为160.45 m，见图2。对斜拉桥的裸塔进行模态测试，测点布置见图3。总共使用8个加速度传感器，沿塔高粘贴。测试大桥结构在裸塔施工工况下，在风等环境因素作用下结构的振动响应数据，采用只有输出数据的系统识别方法确定大桥的振动频率和振型，采用的识别方法是频域的峰值法。分三次进行测试:(1)利用1-6号传感器测试塔顺桥向模态;(2)利用1-6号传感器测试塔横桥向模态;(3)利用7,8,6,2号传感器测试塔扭转模态;

3.2 测试结果与初始有限元模型计算结果对比

本次模态测试得到了主塔振动频率共6阶，依据大桥设计图纸建立初始有限元模型，得到主塔的频率计算值与实测值的对比，限于篇幅未列出实测振型，振型描述见表3。

3.3 斜拉桥主塔动力有限元模型修正

我们知道，结构的自振频率可以精确地测试到，自振频率反应结构整体性能，运用自振频率进行有限元模型修正是现在普遍采用的方法。它只需利用结构模态试验的部分固有频率，就能获得较精确的有限元模型。结构动力模型修正是利用AN-SYS优化设计功能，以结构参数(混凝土弹摸、截面惯性矩、质量密度等)为设计变量，以自振频率、振型等为状态变量，定义实测频率与计算频率的相对误差为目标函数，经过ANSYS优化运算，得出满足精度要求的结构参数，从而达到有限元模型修正的目的[3]。

对于有限元模型来而言，参数的误差是由不同的原因产生的。如果只是一味要求与实测值相一致而没有限制设计变量的变化范围，可能会由于修改量过大导致设计变量失去其物理意义。因此，在结构模型修正前，需要分析各设计变量产生误差的可能性，并根据参数的灵敏度确定其取值的上、下限。

限于篇幅，仅列出具有代表性的设计变量以及取值范围，见表4。

状态变量是约束设计的数值，它是设计变量的函数，对于本次模型修正，取各阶振型所对应的频率f作为状态变量，选择试验识别出的6阶频率参与模型修正，定义计算频率与实测频率相对误差的绝对值为目标函数，目标函数为:

上式中，fmi为各阶实测频率，fai为各阶计算频率。

进行ANSYS优化迭代分析，迭代总步骤为50次，程序在第12步收敛结束，得到最优解。目标函数最终值为min(objection_function)=2.154 1%。最优结果下各设计变量的值见表6，修正模型后的各阶频率与实测值比较见表5。由表4和表3可以看出，低阶频率优化后与实测值误差非常小，而高阶频率误差相对较大，但与初始有限元模型计算结果相比误差小很多。

由表6可以看出，修正后的设计变量中，弹模和质量密度相比初始模型的取值有较大差别，这是因为混凝土弹模和质量密度是影响结构频率的主要因素，也是模型修正的首要修正参数。截面特性由于按照设计图纸计算得到，取值比较可靠，修正后的结果与初始值相差不大。

4 小结

本文利用ANSYS的优化设计功能，定义结构参数为设计变量和目标变量，通过软件不断迭代计算，实现斜拉桥主塔动力有限元模型修正过程。在修正过程中，除了要减少频率的误差，还要保证各阶模态出现的次序相互对应，因此根据模态相关性准则，利用ANSYS后处理矢量与矩阵运算功能，进行振型MAC值计算，保证优化过程中模态相关性[4]。

从斜拉桥塔的修正过程来看，混凝土的弹性模量和质量密度是影响塔自振频率的重要参数，对结构频率的灵敏度较大。另外，横梁的弹模对扭转模态影响很大，由于建立有限元模型时，下塔柱采用3个等效的等截面模拟，这样的简化对低阶频率影响很小，但对高阶频率的误差影响较大，从修正结果看，也是高阶频率修正误差大于低阶频率。

参考文献

[1]任辉启.ANSYS7.0工程分析实例详解.北京:人民邮电出版社2,003

[2]龚曙光,谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程.北京:机械工业出版社2,004

[3] Wang B P.Improved approximate methods for computing eigenvectorderivatives in structural dynmaics.AIAA Jounral,1991;29(6):1018—1029