CN101937485B - 斜拉桥初始成桥初始索力确定方法 - Google Patents

斜拉桥初始成桥初始索力确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明是基于ANSYS二次开发平台的斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，其以设计索力作为目标值，考虑几何非线性效应，在恒载作用下反复迭代求解和修正拉索初应变，具体是：先假定任一组初始索力以初应变的形式加到斜拉索上，加上恒载并计算，通过*do-loop命令语言，提取计算所得斜拉索索力并检查该索力与目标成桥索力的误差是否在允许的范围内，若误差过大，通过差值法修改斜拉索初应变，再重新计算直至误差在允许的范围内，最后一次计算所用的一组斜拉索初应变乘以斜拉索考虑垂度效应修正后的弹性模量即为所要找的斜拉桥初始成桥初始索力。本方法提高了斜拉桥成桥初始索力的求解时间和精度，使得该方法具有较大的实际工程应用价值。

Description

斜拉桥初始成桥初始索力确定方法
技术领域
本发明属于交通运输业桥涵工程领域，具体地讲涉及一种基于ANSYS平台的斜拉桥成桥初始索力确定方法。
背景技术
大跨径密索型的斜拉桥是一种高次超静定体系，结构几何非线性效应显著，且拉索数量众多。在其极限承载力分析中，首先需要提供一组初始索力，使得在成桥恒载作用下索力与设计索力或者实测索力相一致，而确定这一组初始索力整个过程十分繁琐，有时甚至无法收敛。目前现有的生死单元法是利用单元的生死特性，直接用一对集中力施加到斜拉索两端的节点上，无法考虑结构几何非线性引起的拉索两端节点的变位，也无法考虑拉索的垂度效应，导致计算所得成桥索力和设计索力之间存在较大的误差。而根据设计索力直接通过设置索的初应变或者温度荷载施加索力的方法也具有一定的局限性，因为索力是在结构未变形基础上施加的，在恒载作用下结构变形必然会导致索力发生变化。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：为克服现有技术的缺陷，提供一种基于ANSYS平台的斜拉桥成桥初始索力确定方法，该方法具有调索时间短和精度高的优势。
本发明解决其技术问题采用的技术方案，是以设计索力作为目标值，考虑几何非线性效应，在恒载作用下反复迭代求解和修正拉索初应变，具体是：先假定任一组初始索力以初应变的形式加到斜拉索上，加上恒载并计算，通过*do-loop命令语言，提取计算所得斜拉索索力并检查该索力与目标成桥索力的误差是否在允许的范围内，若误差过大，通过差值法修改斜拉索初应变，再重新计算直至误差在允许的范围内，最后一次计算所用的一组斜拉索初应变乘以斜拉索考虑垂度效应修正后的弹性模量即为所要找一组斜拉索初始索力，该组斜拉索初始索力即为所述斜拉桥初始成桥初始索力。
本发明与现有技术相比具有以下的主要优点：
其一. 不仅具有收敛速度快和计算误差小，同时考虑了结构的几何非线性效应。
其二. 与生死单元方法相比，大大了提高了斜拉桥成桥索力的求解精度和效率，使得本方法具有较大的实际工程应用价值。
其三. 在此前的斜拉桥成桥初始索力计算中，由于是在结构未变形的基础上施加的，直接施加索的张力，导致计算误差大，收敛慢，且不能反映斜拉索的几何非线性效应。
应用本方法计算成桥初始索力，不仅准确、简便，而且速度快。当本方法迭代计算次数为5次时，和设计索力值相差不超过5%，迭代20次时，和设计索力值相差不超过4%。
附图说明
图1是本发明成桥初始索力计算流程示意图。
图2是武汉某三塔结合梁斜拉桥立面图，图中所示尺寸单位为cm。
具体实施方式
本发明提供一种基于ANSYS平台的斜拉桥成桥初始索力确定方法，该方法以设计索力作为目标值，考虑几何非线性效应，在恒载作用下反复迭代求解和修正拉索初应变，该方法具体是：先假定任一组初始索力以初应变的形式加到斜拉索上，加上恒载（一期恒载与二期恒载）并计算，提取计算所得斜拉索索力并检查该索力与目标成桥索力的误差是否在允许的范围内，若误差过大，通过差值法修改斜拉索初应变，再重新计算直至误差在允许的范围内，最后一次计算所用的一组斜拉索初应变乘以斜拉索考虑垂度效应修正后的弹性模量即为所要找一组斜拉索初始索力。
下面结合实施例和附图对本发明做进一步详细说明。
本发明主要针对地是提供斜拉桥整桥的索力调整方法，并且选择相应的二次开发技术对ANSYS进行二次开发。
本发明在二次开发过程中，主要利用ANSYS提供的参数化设计语言APDL，使得本发明提供的方法在ANSYS中实现。由于ANSYS不能直接输入初始索力，因此，初始索力按照考虑垂度效应Ernst修正弹性模量求出相应初应变，以初应变的形式加到斜拉索上，同时考虑梁柱效应和大位移效应的影响。
本发明提供的方法包括下述步骤：
（1）输入桥梁结构的基本参数，建立斜拉桥分析模型，该模型为有限元模型（ANSYS模型），定义荷载，加上边界条件。
所述定义荷载是指施加斜拉桥的一期恒载和二期恒载。
所述边界条件是指定义主梁、主塔以及各墩台的约束方式。
（2）定义参数数组存储，按照任意一组索力换算得出初应变{ε0}。
实现此过程，需要事先假定任意一组斜拉索成桥索力{F}为初始索力{F0}，其中：
Figure 223187DEST_PATH_IMAGE001
。
式中：F0为任意一组斜拉桥初始索力，E为拉索弹性模量，A为拉索截面面积。
（3）采用Newton Raphson方法进行结构的平衡迭代。
在平衡迭代过程中，设置ANSYS求解参数以考虑斜拉桥的几何非线性影响，具体是考虑结构大位移、梁柱效应及斜拉索垂度效应的影响，求出斜拉索索力{F1}。
所述结构大位移、梁柱效应及斜拉索垂度效应分别是指：
ANTYPE, STATIC   !进行静力分析；
NLGEOM, ON      !考虑大变形效应；
SSTIF, ON          !考虑应力刚化。
（4）索力迭代：
用*do-loop命令循环求解，每求解一次，提取索力，检查索力与设计院提供索力误差是否小于允许误差，即：
检查条件
Figure 2010105019114100002DEST_PATH_IMAGE002
是否小于允许值；
如果所述条件小于允许值，则输出计算结果；
如果所述条件不小于允许值，则用{F0}+{F}-{F1}代替{F0}，把差值△ε换算为应变ε，
即：{△ε}=
Figure 140327DEST_PATH_IMAGE003
，令{ε}= {ε}+{△ε}。
然后，重复步骤（3）和步骤（4），继续计算，直至计算斜拉桥整桥的索力满足所述条件为止。式中：{F1}为设计索力，{F}为斜拉索计算索力。
（5）输出结果：
经过上述步骤，得到所述斜拉桥初始成桥初始索力{F}。
下面以武汉某长江大桥为例，来说明本方法的具体应用。
武汉某三塔结合梁斜拉桥的情况：采用主跨为616米的三塔双索面结合梁斜拉桥结构形式，全桥总长1732m，桥宽32.3m，跨径组成为：90m+160m+616m+616m+160m+90m，如图2。主桥采用半漂浮体系，全桥共设斜拉索132对，标准节段索距在主梁上为13.5m。桥塔为花瓶型钻石构造，钢筋混凝土结构，主塔高度为206m，二期恒载80kN/m。主桥桥面体系采用双工字型钢主梁与混凝土桥面板组合而成的结合梁桥面形式。两工字型钢主梁中心距30.5m，主梁梁高2.935m；横梁纵桥向间距4.5m，横梁高度与钢主梁一致；混凝土板厚度为0.26m。
取汉口侧的边塔两侧44根索为研究对象，其步骤如下：
（1）利用ANSYS的参数化语言(APDL)编制程序，建立该桥的空间有限元模型。
采用直接生成节点和单元的方法建立全桥空间有限元双主梁分析模型。主梁和塔采用可变截面的梁单元，该单元能考虑截面剪切变形，可模拟渐变截面梁。斜拉索采用具有大应变和应力刚化效应的空间单元，桥面板采用每个节点有6个自由度的弹性薄壳单元。
边界处理：第3、4、5号主塔承台连接处设为固定约束，即将此处节点的六个方向自由度全部约束，中塔横梁与主梁的支承条件设为约束x，y，z三个方向的线位移，即将相应的节点三个方向的自由度耦合，边塔则只约束y方向线位移；第1、2、6、7号墩对主梁的支承条件设为一侧只约束竖向即y方向位移，一侧约束y，z两个方向位移。荷载工况为仅施加恒载，包括一期恒载和二期恒载，通过在主梁的节点上施加等效的集中力模拟恒载作用，索的预应力用初应变来考虑。全桥各构件材料特性参数见表1。
（2）定义参数数组存储，取设计索力换算得出初应变{ε}。
（3）设置ANSYS求解参数以考虑斜拉桥的几何非线性(包含结构大位移、梁柱效应)。
（4）索力迭代：
用*do-loop命令循环求解，每求解一次，提取索力，检查索力与设计院提供索力误差是否小于允许误差，如果不小于，把差值换算为应变{△ε}，令{ε} = {ε}+{△ε}，继续计算，直至计算索力满足要求。
下面列出索力循环迭代APDL语言部分程序。
………………
/solu
allsel,all
acel ,,9.8
antype,static
nlgeom,on      !考虑大位移和梁柱效应
sstif,on
nropt,full
autots,on
nsubst,1
solve
finish
*dim, bsgoal, array, 66
*dim, bs, array, 66
………………
*do,j,1,20
finish
/post1
*if,j,eq,1,then
etable,yingli,ls,1
*else
etable,refl  !覆盖上次的应力表
*endif
!第1组提取索力
*do,i,1,10
*get,yingli1(i),etab,1,elem,1607-(i-1)*2
*if,abs(bsgoal(i)-yingli1(i)),gt,0.0001*bsgoal(i),then
bs(i)=bs(i)+(bsgoal(i)-yingli1(i))/tm(i)
*endif
*enddo
*do,i,1,12
*get,yingli1(i+10),etab,1,elem,1588-(i-1)*2
*if,abs(bsgoal(i+10)-yingli1(i+10)),gt,0.0001*bsgoal(i+10),then
bs(i+10)=bs(i+10)+(bsgoal(i+10)-yingli1(i+10))/tm(i+10)
*endif
*enddo
………………………….
/post1
/OUT,result,out
!输出结果
*VWRITE,bbh(1),bzh(1),zbh(1),zzh(1)
(1X,16F12.9,′′,16F12.9,′′,16F12.9,′′,16F12.9)
/OUT
（5）结果输出及分析：
结果表明，索力迭代5次时，44根斜拉索的成桥索力与设计院提供的成桥索力误差就在5%以内。本方法使得斜拉桥调索过程在ANSYS中自动完成，方便快捷，调索时间短，精度高。避免了手动调索的麻烦，提高了工作效率，并为以后类似的斜拉桥成桥分析计算提供了思路。
附表
表 1                    各构件的单元及材料特性
构件 单元数 弹性模量E/Mpa 泊松比 密度kg/m3
钢梁 1756 2.10×105 0.3 7850
PC梁 184 3.50×104 0.2 2600
主塔 366 3.45×104 0.2 2600
桥面板 300 3.50×104 0.2 2600
斜拉索 264 1.95×105 0.3 7850
表2                       索力迭代计算结果对比
索号 目标索力/KN 迭代5次索力/KN 迭代10次索力/KN 迭代20次索力/KN
S1 2916.6 2893.9 2894.7 2896.5
S2 2941.8 2906.9 2911.2 2914.2
S3 3004.3 2958.2 2967.1 2971.3
S4 3102.3 3054.1 3066.2 3070.6
S5 3230.7 3185.5 3199.1 3202.9
S6 3370.4 3326.1 3341.3 3344.3
S7 3530.9 3497.7 3510.3 3511.5
S8 3697.8 3676.9 3685.7 3684.9
S9 3859.7 3849.5 3854.5 3851.6
S10 4560.4 4561.4 4561.8 4557.1
S11 3904.0 3914.3 3910.9 3904.1
S12 3943.2 3957.2 3952.2 3944.8
S13 4672.5 4689.2 4683.0 4675.2
S14 4892.2 4912.4 4904.8 4895.8
S15 5397.6 5418.8 5410.8 5401.5
S16 5651.5 5673.1 5665.0 5655.7
S17 5798.1 5823.3 5813.8 5802.9
S18 5802.5 5826.8 5817.7 5807.0
S19 5931.5 5954.5 5946.0 5935.5
S20 6022.1 6045.2 6036.7 6026.0
S21 6084.8 6106.0 6098.3 6088.0
S22 5383.3 5401.1 5394.7 5385.6
N1 2943.0 2963.4 2958.2 2948.6
N2 2969.5 3003.9 2998.5 2986.5
N3 3025.0 3078.6 3058.3 3045.5
N4 3103.1 3173.3 3152.2 3142.8
N5 3209.9 3296.4 3275.4 3258.4
N6 3276.5 3394.2 3352.3 3340.1
N7 3417.6 3549.4 3510.6 3487.5
N8 3577.4 3719.6 3702.5 3687.5
N9 3743.5 3908.3 3900.8 3857.6
N10 3975.4 4142.3 4131.3 4110.2
N11 4032.9 4220.1 4206.1 4198.2
N12 4216.7 4397.1 4383.8 4381.5
N13 4401.0 4571.7 4560.4 4530.5
N14 4554.8 4729.9 4695.2 4658.7
N15 4846.7 5008.1 4998.5 4985.2
N16 5029.1 5176.2 5145.8 5124.3
N17 5206.3 5363.3 5342.3 5323.6
N18 5364.6 5506.5 5500.4 5456.2
N19 5616.7 5745.1 5734.6 5712.3
N20 5740.7 5865.2 5859.7 5841.2
N21 5855.2 5968.3 5958.6 5942.3
N22 5197.2 5292.0 5284.3 5271.6

Claims (6)

1.斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，其特征是一种基于ANSYS二次开发平台的斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，该方法以设计索力作为目标值，考虑几何非线性效应，在恒载作用下反复迭代求解和修正拉索初应变，具体是：先假定任一组初始索力以初应变的形式加到斜拉索上，加上恒载并计算，通过*do-loop命令语言，提取计算所得斜拉索索力并检查该索力与目标成桥索力的误差是否在允许的范围内，若误差过大，通过差值法修改斜拉索初应变，再重新计算直至误差在允许的范围内，最后一次计算所用的一组斜拉索初应变乘以斜拉索考虑垂度效应修正后的弹性模量即为所要找一组斜拉索初始索力，该组斜拉索初始索力即为所述斜拉桥初始成桥初始索力；
所述方法包括以下步骤：
(1)输入桥梁结构的基本参数，建立斜拉桥分析模型，该模型为有限元模型，然后定义荷载，加上边界条件；
(2)定义参数数组存储，假定任意一组索力，并换算得出初应变{ε0}，
其中： { ϵ 0 } = { F 0 EA } ,
式中：F0为任意一组斜拉桥初始索力，E为拉索弹性模量，A为拉索截面面积；
(3)采用Newton Raphson方法进行结构的平衡迭代；
(4)索力迭代：
用*do-loop命令循环求解，每求解一次，提取索力，检查索力与设计索力误差是否小于允许误差，即：
检查条件
Figure FDA0000097138030000012
是否小于允许值，
如果条件小于允许值，则输出计算结果，
如果条件不小于允许值，则用{F0}+{F}-{F1}代替{F0}，把差值Δε换算为应变ε，式中{F1}为设计索力，{F}为斜拉索计算索力，
即：
Figure FDA0000097138030000013
令{ε}＝{ε}+{Δε}，
重复步骤(3)、步骤(4)，直至所述条件满足为止；
(5)输出结果：
经过上述步骤，得到所述斜拉桥初始成桥初始索力{F}。
2.根据权利要求1所述的斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，其特征是步骤(1)中所述定义荷载是指施加斜拉桥的一期恒载和二期恒载。
3.根据权利要求1所述的斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，其特征是步骤(1)中所述边界条件是指定义主梁、主塔以及各墩台的约束方式。
4.根据权利要求1所述的斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，其特征是在实现步骤(2)的过程中，需要事先假定任意一组斜拉索成桥索力{F}为初始索力{F0}。
5.根据权利要求1所述的斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，其特征是在实现步骤(3)所述平衡迭代过程中，设置ANSYS求解参数以考虑斜拉桥的几何非线性影响，具体是考虑结构大位移、梁柱效应及斜拉索垂度效应的影响，求出斜拉索索力{F}。
6.根据权利要求5所述的斜拉桥初始成桥初始索力确定方法，其特征是所述结构大位移、梁柱效应及斜拉索垂度效应分别是指：进行静力分析、考虑大变形效应、考虑应力刚化。
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