（工程力学专业论文）基于ANSYS二次开发的预应力混凝土曲线刚构桥施工仿真分析.pdf

摘要 预应力曲线连续刚构桥具有弯扭耦合、多次超静定、刚度大、变 形小、跨越能力大的特点，其施工受场地和费用等因素限制，通常采 用悬臂浇注的施工方法，导致在施工过程中内力和位移不断变化，受 力复杂。桥梁专业分析软件普遍使用二维或三维梁单元做分析，无法 精确反应桥梁施工过程中关键部位的局部受力特点，至今还没有一个 完善的通用程序可以解决曲线桥复杂的结构计算问题，因此曲线桥的 施工仿真分析成为突出的研究问题。本文在学习和总结前人研究工作 的基础上，结合琼江河大桥的施工监控经验，对基于a n s y s 二次开 发的施工仿真分析进行了较深入的研究。 1 回顾了曲线刚构桥的发展以及施工仿真分析的研究现状；介 绍了大型通用计算程序a n s y s 二次开发的特点和方法。 2 用a p d l 编写了曲线桥参数化建模程序、预应力筋损失计算 程序、降温法模拟混凝土收缩计算程序，以及用f o r t r a n 7 7 语言开发 了混凝土徐变计算程序。并结合单元生死功能，用a p d l 语言编写了 施工工况命令流， 3 对琼江河大桥进行了正装计算，实现了对施工过程的三维仿 真分析。将本文计算结果、桥博计算结果、实测结果进行比较分析可 得出以下结论； ( 1 ) 琼江河大桥曲率半径大，曲线桥的特性不明显； ( 2 ) 无论是考虑还是不考虑混凝土收缩徐变，本文计算结果和桥 博计算结果、实测结果基本吻合，本文程序是正确合理的，可以用于 工程实践： ( 3 ) 箱梁存在剪力滞后效应，远离薄壁墩，剪力滞后效应越明显。 “) 本文计算和实测挠曲线形式相同，测点总应变变化趋势相同， 在数值上存在误差，这是由多种因素造成的。 ( 5 ) 利用本文施工仿真计算程序，能为预应力混凝土刚构桥的设 计和施工提供依据。 关键词曲线梁，刚构桥，仿真分析，a n s y s ，二次开发，收缩 徐变 a b s t r a c t p r e s t r e s s e dc o n c r e t e ) c u r v ec o n t i n u o u sr i g i df l a m eb r i d g eh a s t h ec h a r a c t e r i s t i c so f b e n d i n g - t o r s i o n a lc o u p l e d , m u l t i p l es t a t i c a l l y , s t r o n g r i g i d i t y , s m a l l d e f o r m a t i o na n dg r e a ts p a n n i n gc a p a c i t y d u et ot h e l i m i t e dc o n s t r u c t i o nf i e l da n dc o s t , i t sc o n s t r u c t e db yc a n t i l e v e r , a n dt h e s t r u c t u r a li n t e r n a lf o r c ea n dd i s p l a c e m e n tt r a n s f o r mw i t hi t sp r o c e s s 2 - d o r3 - db e a me l e m e n t sa r ca d o p t e dt os i m u l a t eb r i d g e sb ym o s to ft h e b r i d g ea n a l y s i ss o r w a r e s ，a n dt h ea n a l y s i sr e s u l t sc o u l d n o te x a c t l ys h o w t h el o c a ls t r e s sd i s t r i b u t i o no fb r i d g e t h e r ei sn ou n i v e r s a ls o f t w a r et h a t c a ns o l v et h ec o m p l i c a t e ds t r u c t u r a lc a l c u l a t i o np r o b l e mo fc u r v eb r i d g e i nt h ec o n s t r u c t i o ns t a t e ，s ot h es i m u l a t i o ni nc o n s t r u c t i o ns t a t eo fc u r v e b r i d g eb e c a m e sar e s e a r c hp r o j e c t b a s e do nt h es t u a ya n ds u m m a r i z a t i o no ft h ef o r m e rr e s e a r c h a c c o r d i n gt ot h es i m u l a t i o no fc u r v eb r i d g eo ft h ea c t u a le n g i n e e r i n g e x a m p l eo fq i o n g - j i a n gr i v e rb r i d g e ，t h es e c o n d a r yd e v e l o p m e n to f a n s y si sa n a l y z e di n - d e p t h 1 a f t e rt h er e v i e wo fd e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dt h ep r e s e n tr e s e a r c h o fc o n s t r u c t i o ns i m u l a t i o na n a l y s i so fc u r v er i g i db r i d g e ，t h eb a s i c f u n c t i o n sa n dm e t h o d st od e v e l o pa n s y sw h i c hi sl a r g eg e n e r a l c a l c u l a t i o ns o a r ea r ei n t r o d u c e d 2 t h ec u r v eb r i d g e m o d e l i n g p r o g r a m , p r e s t r e s s f o r c el o s s c a l c u l a t i o np r o g r a m , s h r i n k a g ec a l c u l a t i o np r o g r a mt h r o u g hl o w i n g t e m p e r a t u r em e t h o d a r ew r i t e r , a n dc r e e pc a l c u l a t i o np r o g r a mi s d e v e l o p e db yf o r t r a n 7 7l a n g u a g e 码e3 - ds i m u l a t i o ni sr e a l i z e dw h e n e a c hp h r a s eo fc o n s t r u c t i o ni ss i m u l a t e db yc o r r e s p o n d i n gf e am o d e l w i t ht h eu s a g eo fa n s y s sd e v e l o p m e mt o o la p d la n de l e m e n t sb i r t h a n dd e a t hf u n c t i o n 3 1 1 圮a n a l y s i sr e s u l t s a r e c o m p a r e dw i t ht h o s eo fd r b r i d g e s c a l c u l a t i o na n dt e s t t h ef o l l o w i n gi t e m sa r ci n c l u d e di nt h ec o m p a r i s o n ： ( 1 ) t h ec u r v eb r i d g e sc h a r a c t e r i s t i c sa r cn o te v i d e n ti nq i o n g - j i a n g r i v e rb r i d g ef o ri t sb i gr a d i u s ( 2 ) w h e t h e rc o n s i d e r i n go rn o tc o n s i d e r i n go fs h r i n k a g ea n dc r e e p ， t h ea n a l y s i sr e s u l t so f t h i sp a p e ra r ec o n s i s t e n t 谢mt h o s eo f d r b r i d g e s i i ( 3 ) s h e a rl a ge x i s t si nr i g i dg i r d e rb e a m ；a n ds h e a rl a gb e c a m e s m o r ee v i d e n tw i t l ld i s t a n c ei n c r e a s eb e t w e e nt h ea n a l y s i ss e c t i o na n d f l e x i b l ep i e r ( 4 ) c o m p a r ew i t ht h i sp a p e r sa n a l y s i sr e s u l t sa n dt e s tr e s u l t s ，t h e s h a p eo f t r a n s f i g u r a t i o na n d t r e n do f t e s t - p o i n t st o t a ls t r a i na r et h es a m e m a n yf a c t o r sc a u s el i t t l ed i f f e r e n c ei nn u m b e rb e t w e e nt h e m ( 5 ) i tc o u l db eu s e dt og u i d et h ed e s i g na n dt h ec o n s t r u c t i o no fp c c u r v ec o n t i n u o u sr i g i df r a m eb r i d g eb yu s i n gt h es i m u l a t i o na n a l y s i s p r o g r a mi nc o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：c u r v eb e a m , r i g i df r a m eb r i d g e ，s i m u l a t i o na n a l y s i s ，a n s y s ， s e c o n d a r yd e v e l o p m e n t , s h r i n k a g ea n dc r e e p i i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：单篮毫 日期一通- 年上月卫日 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文，允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位 论文的全部或部分内容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 作者签名：固媳导师签名：l 皇骘日期：毕上月日 均 硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国国民经济持续的快速增长，公路交通运输的迅速发展，桥梁建设 突飞猛进，拱桥、预应力混凝土桥、斜拉桥、悬索桥得到了充分的应用。其中 预应力混凝土连续刚构桥作为一种经济实用的桥型在城乡的桥梁中占据了越来 越大的比重，这种桥具有结构刚度大、整体性好、抗震性好、抗扭潜力大、跨 越能力强、外形美观、桥面行车平顺、构造简单、施工方便等优点。 预应力混凝土连续刚构桥经常采用悬臂拼装或悬臂现浇的施工方法，这种 施工方法虽有很多优点，但同时给桥梁结构带来复杂的内力和位移变化，为了 保证施工质量和施工安全，桥梁施工控制是必不可少的环节和措施“1 。在施工 控制方面，直线连续刚构桥出现得较早，国内外对这方面的研究比较成熟，取 得较多的研究成果，都已运用于工程实际；而对于曲线连续刚构桥，相关资料 表明，由于出现的时间比较短，我国目前对其研究有限，成果较少，施工过程 中仍有许多问题需要做进一步的研究。 1 2 预应力混凝土曲线连续刚构桥的发展概况 1 2 1 预应力混凝土连续刚构桥的发展 世界上第一座预应力混凝土连续刚构桥是原联邦德国于1 9 5 3 年修建的沃 尔姆斯大桥，跨度为1 0 1 6 5 m + 1 1 4 2 m + 1 0 4 2 m ，这种桥既保持了连续梁桥无伸 缩缝、桥面平顺的特点，又保持了t 型刚构桥施工中不设支座、不需要体系转 换的优点。1 9 6 4 年，原联邦德国建成了主跨2 0 8 m 的b e n d o r f 桥，该桥不仅成 功地显示出悬臂旌工方法的优越性，而且在结构上有了新的创新，薄壁主墩与 上部连续粱固结，形成了带铰的连续一刚构体系嘲。从此以后，悬臂施工法得 到了不断的改进和广泛应用，预应力混凝土刚构桥的优越性得到了充分的体现， 并得到了极大的发展，越来越多的大跨预应力混凝土刚构桥相继建成，国外具 有代表性的桥见表1 _ 1c 3 】。 我国于6 0 年代开始设计并推广t 型刚构桥，并在1 9 6 4 年修建了第一座t 构实验桥一盐河桥，随着对刚构桥体系受力特性认识的不断深入和悬臂施工方 l 硕士学位论文第一章绪论 法的日趋完善，之后相继建成了主跨1 2 4 m 的广西柳州大桥，主跨1 7 4 m 的重庆 长江大桥等，现在在6 0 3 0 0 m 跨径的桥梁中预应力混凝土连续刚构桥成为了主 选桥型，具有代表性的桥见表卜2 。 表1 - 1 国外一些大跨径预应力混凝土连续刚构桥 序 桥名国家 建成 主跨m截面备注 号 年份 主跨中部2 2 4 = 用c 6 0 轻 l l a f ts u n d e t 质混凝土，两侧各3 7 m 用 1 挪威 1 9 9 92 9 8 单室箱 桥( 6 5 ，桥在r = 3 0 0 0 m 的平曲 线上 门道( g a t e w a y )澳大 21 9 8 52 6 0 单室箱 桥利亚 澳大 3 s c h o t t w i e n 桥 1 9 8 92 5 0 4 跨 利亚 3 跨，铁路双线， 4 d o u t o r 河桥葡萄牙 1 9 9 02 5 0 又称o p o r t o 桥 h o u s t o n 运河 5美国 1 9 8 22 2 8 6 双室箱刚性墩 桥 澳大分离 6 m o o n e y 桥 1 9 8 5 2 2 0 利亚双箱 两单 7 o r w e l l 桥 英国1 9 8 41 9 0全长1 2 8 8 m ，无伸缩缝 室箱 1 2 2 预应力混凝土曲线连续刚构桥的发展 世界上第一座曲线桥是德国1 9 1 4 年建的铁路钢桁架桥，随着混凝土结构的 发展以及预应力技术的运用，考虑实际的地形情况，国内外的城市交通以及高 速公路发展中建立了大量的曲线梁桥，典型的如：法国的让纳维利埃桥，西德 的杜塞尔多夫桥，美国旧金山桥，日本的青森大桥，北京的东便门立交桥，广 州市的区庄立交桥，南京的中央门立交桥，这些都是大型的曲线箱梁桥，运用 了现浇、悬臂浇注、顶推等直线桥上常用的施工方法。 山区地形与城市地形大相径庭，往往沟壑纵横、山坡陡峭，经过这些地区 的公路就必须跨越“v ”型沟谷，河流，为了保持公路线形的连续性，减少施 工中土方的开挖量，预应力混凝土曲线梁桥与刚构桥相结合便孕育出了预应力 混凝土曲线连续刚构桥，具有代表性的几座桥介绍如下： 1 虎门大桥辅航道桥硼 虎门大桥辅航道桥( 见图1 - 1 ) 是中国主跨最大的连续刚构桥，位于半径为 7 0 0 0m 的平曲线上，跨径1 5 0 m + 2 7 0 m + 1 5 0 m ，1 9 9 7 年4 月建成时该桥型跨径为 世界之最，但这个记录保持不到两年，就被下面介绍的挪威r a t fs u n d e t 桥所 2 硕士学位论文第一章绪论 替代。该桥分上、下行桥，墩高3 5m ，每幅桥双壁墩身中距9m ，墩身为单室 箱，宽3m ，壁厚纵横向均为5 0c m 主粱为单室箱，箱高跨中5m ，根部1 4 8 m 。无论箱高、底腹板厚度，均比跨径稍小的门道( g a t e w a y ) 桥要小，显示了设 计水平的提高。 表1 - 2 国内一些尢跨径预应力混凝土连续刚构桥 建成 序号 桥名主跨-截面备注 年份 双幅，桥在r = 7 0 0 0 m 平曲 1 虎门大桥辅航道桥 1 9 9 7 2 7 0单室箱 线上 2 元江特大桥2 0 0 32 6 5单室箱墩高1 2 3 m 3 泸州长江二桥 2 0 0 12 5 2 单室箱 4 重庆黄花园大桥 1 9 9 92 5 0 单室箱双幅，连续长度1 0 2 4 m 5 马鞍石嘉陵江大桥 2 0 0 2 2 5 0单室箱双幅，连续长度1 0 4 2 = 6黄石长江大桥1 9 9 52 4 5单室箱 连续长度1 0 6 0 m 7 江津长江大桥 1 9 9 72 4 0 单室箱 8 南澳跨海大桥在建2 2 1单室箱 9 徐水特大桥 2 0 0 62 0 0单室箱墩高9 8 m 1 0 华南大桥 1 9 9 81 9 0 单室箱 1 1 洛溪大桥 1 9 8 8 1 8 0单室箱 1 2 宁波大榭跨海大桥 1 9 9 91 7 0单室箱 1 3 太枣特大桥 2 0 0 61 7 0单室箱 墩高1 2 3 5 m 1 4 攀钢专用线金沙江大桥 1 9 9 6 1 6 8单室箱 1 5 三门峡黄河大桥 1 9 9 31 6 0单室箱 1 6 福建平潭大桥， 2 0 0 01 6 0单室箱 1 7 洛河特大桥 2 0 0 51 6 0 单室箱墩高1 4 3 5 m 1 8 葫芦河特大桥2 0 0 61 6 0单室箱墩高1 3 8 m 1 9 冷水滩湘江大桥 1 9 9 41 5 5单室箱 2 0 泸州铁路长江大桥 2 0 0 41 4 4 单室箱 双幅，桥在r - = 9 0 0 m 平曲线 2 1 厦门海沧大桥西航道桥 1 9 9 9 1 4 0单室箱 上及缓和曲线上 2 2 三滩黄河大桥2 0 0 01 4 0单室箱 2 挪威& f ts u n d e t 桥【4 l 1 9 9 8 年底建成的挪威r a f ts u n d e t 桥( 图1 - 2 ) ，结合地形地质布置桥型， 4 跨，跨径8 6 m + 2 0 2 m + 2 9 8 m + 1 2 5 m ，全长7 1 1 m , 跨径居世界首位。位于半径为3 0 0 0 m 的平曲线上。该桥的两个特点是1 ：采用了轻质高强混凝土主梁采用c 6 0 c 6 5 ( 根部) 高强混凝土；主跨2 9 8 m 的梁，其中部2 2 4 m 采用轻质混凝土，以减轻 白重。2 ：截面非常轻型。主跨梁为单箱室，箱高跨中3 5 m ，根部1 4 5 m ，零号 块1 4 9 m 。箱顶宽1 0 3 m ，底宽7 m 。顶板跨中2 8 c m , l 4 到跨中4 2 c m , 零号块l l o c m 。 底板跨中2 6 c m , 根部1 2 0 c m ，零号块1 6 0 c m 。腹板厚3 0 4 0 c m , 零号块5 5 c m 。无 3 硕士学位论文 第一章绪论 论箱高、底腹板厚度，均比跨径稍小的门道( g a t e w a y ) 桥小，显示了特大跨径连续 刚构桥采用轻质混凝土的巨大优越性。 骐 k 簏h 懋匕墼砖煦叫 曼墼墨蔓墨璺壁墨 图i - i 虎门大桥辅航道桥 鼍骆产 翅缝 图i - 2 挪威的r a f ts u n d e t 桥 4 硕士学位论文 第一章绪论 3 厦门海沧大桥西航道桥田 厦门海沧大桥西航道桥孔跨布置为7 8 m + 1 4 0 m + 7 8 m + 2 x 4 2 m 是五跨预应力混 凝土连续剐构桥，为三向预应力混凝土结构，处于半径为9 0 0 m 的圆曲线及缓和 曲线上，内外弯长度相差1 3 5 m ，桥面采用单坡面，高差最大处为0 6 9 m ，桥面 高度为4 7 4 1 2 5 6 9 1 2 e ，上部结构采用预应力混凝土变截面箱梁，跨中高度 为2 5 m ，根部高度为7 5 ，下部结构两主墩1 8 号、1 9 号墩采用分离式矩形实 体墩，两边墩1 7 号、2 0 号墩墩身采用空心墩，2 1 号墩墩身为实体矩形墩，顶 墩设于西锚碇上，如图1 - 3 所示，是目前国内最大跨径的弯刚构桥。 i 2 辟审爱盘点蠢一 图1 - 3 厦门海沧大桥西航道桥 1 2 3 预应力连续刚构桥的发展趋势 ( 1 ) 跨径可进一步增大目前，中国修建连续刚构桥的热潮仍在继续中。跨 径2 8 0m 的奉节长江大桥的设计正在进行中。在伶仃洋通道横门东航道桥工程 中，已提出了跨径3 1 8m 的连续刚构方案。可以预计，在不久的将来，跨径3 0 0 m 以上的连续刚构桥必须将在中国出现。 5 硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 上部构造不断轻型化结构的轻型化可以减少上下部构造的自重和材 料用量，可以减轻对挂篮的要求，可以降低造价。由于采用大吨位锚具、高强 混凝土和轻质混凝士，上部构造不断轻型化，这也是连续刚构桥的发展方向。 ( 3 ) 简化预应力束类型中国连续刚构桥设计中，已有相当多桥取消弯起束 和连续束，以竖向预应力和纵向预应力来克服主拉应力，极大地方便了施工， 受到施工部门的欢迎。 ( 4 ) 取消边跨合拢的落地支架采用合适的边、主跨比，在导梁上合拢边跨， 或与引桥的悬臂相连接来实现合拢。在高墩的场合下，取消落地支架有一定的 经济效益，方便了施工嘲。 1 3 预应力曲线刚构桥的受力特点 ( 1 ) 弯扭耦合作用弯扭耦合是弯桥的一个主要受力特性，也即在外荷载的 作用下，梁截面产生“弯矩”的同时必然地伴随着产生“耦合扭矩”，同理， 在产生“扭矩”的同时也伴随着产生相应的“耦合弯矩” ( 2 ) 圆心角在曲线桥中的挠曲变形和扭转变形是耦合的。在计算曲线梁的 竖向挠度时，可以理解成是由。挠”和“扭”两者叠加( 或相减) 而得，对于曲 线桥的外侧边梁的竖向挠度一般较同跨的直梁桥为大。由于圆心角o o o v l r ； 钆a 。正，即纯* 正且，所以当胄愈小，工愈大时，圆心角纯愈大，则弯扭效应愈明 显，也即曲线梁桥的力学特性更突出。 ( 3 ) 弯扭刚度比( j i = 日g l ) 曲线梁桥中的弯扭刚度比对结构的受力和变 形状态有着直接的关系，k 愈大，则由于曲率因素而导致的扭转变形显著增大。 因此，对于弯梁桥而言，在满足竖向变形( 抗弯刚度日) 的前提下，宜尽可能地 减少日的值，增大g l 的值。所以在曲线梁桥中，宜选用低高度和抗扭惯性矩 较大的箱形( 封闭形) 截面横截面形式。 ( 4 ) 内梁和外梁受力不均在曲线梁桥中，由于存在较大的旋转扭矩，因而通 常会使外梁超载，尤其在宽桥情况下更会增大内、外梁的受力的差异。当活载偏 置时，血率半径小、跨径大、恒载小时，更应注意在设计计算上控制内梁。 ( 5 ) 多次超静定上部结构仍然为连续梁的特点，但必须计入桥墩受力及混 凝土收缩、徐变、温度变化等引起的变形对上部结构内力的影响，桥墩因有一 定的柔性，所受弯矩有所减少，而在梁墩结合处仍有刚架性质瞌m 。 6 硕士学位论文 第一章绪论 1 4a n s y s 二次开发研究动态 a n s y s 软件是美国a n s y s 公司研制的大型有限元( f f a ) 软件，它是世界范围 内增长速度最快的c a e 软件，能够进行结构、流体、电场、磁场、声场等学科的 研究，在土木工程、水利、能源、汽车交通、电子、生物医学等领域有着广泛的 应用。a n s y s 功能强大，融前后处理与分析于一身，不仅能计算结构的线性， 稳态问题，还能计算复杂的多场耦合的非线性、瞬态问题等，在提高了设计和 科研人员的工作效率的同时也提高了社会经济效益” 。 a n s y s 软件作为一种通用性很好的软件，为解决普遍性的问题提供了方便， 但在具体工程上，由于专业的特殊性，对于一些具有专业性质的问题，利用a n s y s 软件现有的功能来分析问题就显得比较困难，而a n s y s 二次开发功能很好地弥 补了这方面的欠缺。 a n s y s 的二次开发功能主要体现在参数化程序设计语言( a p d l a n s y s p a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 、用户界面设计语言( u i d l - - u s e ri n t e r f a c e d e s i g nl a n g u a g e ) 、用户程序特性( u p f s - - u s e rp r o g r a m m a b l ef e a t u r e s ) 和数据接口。 1 9 9 6 年a n s y s 软件开始进入中国，人们对a n s y s 的认识还不够，对a n s y s 的二次开发处于探索阶段，近几年随着a n s y s 软件在中国影响力的扩大以及a n s y s 中国用户年会的举办，各行各业对a n s y s 二次开发的研究得到了充分的发 展，并取得了一定的研究成果。他们的研究成果可以分为两类：一类是为解决 专门的实际问题开发的专用模块，这些模块已经使用在了土木工程、机械工程、 水利工程等领域得到了应用”。这些模块较充分地运用了a n s y s 的二次开发 技术，特别是在参数化建模和优化设计方面，但在用户界面上做得不是很完善。 另一类研究的开发主要工作是开发商业化的模块，这些模块已经推向市场，并 取得了经济效益，如土木工程分析专用模块c i v i l f 酬，水中结构专用模块a s a s ，多体水利学分析专用模块a q w a ，车辆虚拟实验场专用模块v p g 。 至今文献中仍没有关于利用a n s y s 的二次开发技术对预应力曲线连续刚构 桥进行施工仿真分析的报道，可见这是一个比较新的思路，在这方面有许多问 题值得研究，因此在预应力曲线连续刚构桥的有限元分析上具有研究意义和使 用价值。 7 硕士学位论文 第一章绪论 1 5 课题的提出 1 5 1 预应力混凝土曲线刚构桥施工仿真分析的原因及意义 对于分阶段施工的桥梁，为了确保在施工过程中桥梁的内力和变形始终处 于容许的安全范围内，确保成桥状态( 成桥线形与结构内力) 符合设计要求，就 应当对桥梁施工过程实施控制。进行施工控制的内容有：变形控制、应力控制、 稳定控制。 1 变形控制 桥梁结构在施工过程中总要产生变形，变形将受自重、预应力、温度、收 缩、徐变等因素的影响，如果对主要参数预测不足，极易使桥梁结构在施工过 程中的实际位置状态偏离预期状态，使桥梁难以顺利合拢，或成桥线形与设计 线形不符，所以必须对桥梁实施控制。 2 应力控制 桥梁结构在施工过程中以及成桥以后的受力情况是否与设计相符是施工控 制所关心的重要问题，通常通过结构测点的应变来了解实际的应力状态，若发 现实际应力状态与理论应力状态差别较大，就应该检查原因并进行调控。由于 结构测点应变受自重、施工荷载、预应力荷载、温度、收缩、徐变等因素的影 响，应变变化复杂，若对结构应力控制不好将会给结构造成危害，甚至使结构 发生破坏，故应对结构的应力实施严格监控。 3 稳定控制 桥梁结构的稳定性与强度问题有着同等重要的意义，都关系到结构的安全 问题，由于薄壁大跨桥梁的日益普及，稳定问题显得更重要。 世界上曾发生的一些稳定事故给人的教训仍是深刻的，如1 9 6 6 年加拿大的 h e r o n 公路桥在施工是整体倒塌，以及1 9 7 0 年澳大利亚w e s t g a t e 桥在施工中 发生一孔倒塌，最典型的是1 9 0 7 年加拿大魁北克桥在南侧锚碇桁架快要架完 时，由于悬臂端下弦杆的腹板屈曲破坏而导致全桥突然崩塌坠落。可见施工中 还应严格控制好各个阶段的局部和整体稳定。 要进行施工监控首先就必须运用桥梁仿真分析软件，比较合理地模拟桥梁 各个施工阶段的受力状态，计算出理论值，才能正确指导施工的进行。对于预 应力混凝土曲线连续刚构桥，三向预应力作用，混凝土收缩、徐变的影响以及 特有的弯扭效应，导致施工过程中受力变化比直桥复杂得多，对桥梁的关键部 位做细部做分析就显得比较重要，尤其是桥梁的零号块，必须建立三维有限元 模型才能较好地模拟实际受力状态，保证施工质量和施工安全。随着预应力混 8 硕士学位论文 第一章绪论 凝土曲线刚构桥的在我国不断的应用，新的问题不断出现，相关的问题也在被 做深入的研究。 1 5 2 预应力混凝土曲线刚构桥施工仿真分析的现状 目前，关于曲线箱梁计算的方法有解析法、梁格法、基于有限数值分析的 有限条法、有限元法“”。解析法中的纯扭转理论、翘曲扭转理论、畸变理论及 剪力滞理论均把桥梁看成单根曲梁，对荷载和结构均有一定的假设前提，有一 定的适用场合；梁格法将桥梁结构离散为刚度近似等效的梁格体系，该方法能 考虑剪力滞、扭转、畸变产生的截面翘曲，计算精度取决于划分网格疏密，适 用于各种不规则的桥梁。有限条法是一种半解析法，方法简单，计算量小，可 用于较规则边界条件的箱梁结构的分析，但不能很好解决变截面和不规则结构 的分析问题。有限元法是目前最有效又通用的方法之一，在工程结构领域得到 了广泛的使用，它将结构离散为连续的单元，几乎可以相当精确地分析所有的 弯桥结构，对于其它方法不能胜任，问题复杂( 如变截面结构，不规则斜交、曲 线形状复杂及分叉结构等) 或需要精确了解某一部分性能时，这种方法时比较合 适的。综上所述，对于本文要研究的预应力曲线连续刚构桥，采用有限元法来 做仿真分析是最佳选择。 。当前运用较广的商业施工仿真分析软件有桥梁博士( 下文简称桥博) 和 m i d a s 。桥梁博士的主要功能有直线桥和斜、弯、异型桥梁的设计计算，截面设 计、横向分布、基础等桥梁计算辅助工具“3 】在施工仿真分析方面，桥梁博士 不仅能够考虑施工临时荷载、温度荷载、预应力荷载的影响，还能考虑混凝土 的收缩、徐变的影响，得到了较广泛的应用，但由于该软件无三维板壳单元和 实体单元，用来分析桥梁的细部的受力情况则显得无能为力。m i d a s 软件操作 界面亲切直观、建模方便、分析设计后处理功能强大，与c a d 和其它有限元程 序具有良好的数据交换功能，广泛适用于土木结构、建筑结构n m 。它提供的建 模助手虽然方便用户建立有限元模型，但这种模型仅包含梁单元，也不能做细 部分析，要建立三维板( 壳) 单元或块体单元有限元模型，就只能利用m i d a s 软件 的一般建模功能来建模，当需要分析不同结构参数对桥梁受力的影响时，需建 立的多个模型，则建模比较费时。综上所述，做预应力曲线连续刚构桥的施工 仿真分析，使用桥梁博士软件显得无能为力，使用m i d a s 软件则比较费时，效 率不高至今还没有一个完善的通用程序，可以同时解决预应力曲线梁桥的纵 向内( 应) 力，横向内( 应) 力、混凝土收缩徐变影响、分阶段施工时的内( 应) 力 及变形以及预应力钢束的有效预应力、使用阶段控制截面的剪力滞效应、局部 应力分析等结构计算问题嘲在众多的大型通用软件中，a n s y s 提供了强大的 9 硕士学位论文第一章绪论 二次开发功能，用户可以针对曲线梁开发出专门的模块，用于弥补现有软件的 不足。 1 6 本文的研究内容 本文在学习和总结前人研究工作的基础上，探讨了如何使用a n s y s 的二 次开发功能来进行预应力曲线连续刚构桥施工仿真分析，同时以一实桥的施工 监控为背景，采集了施工阶段的相关数据，并将计算值和实测值做了对比分析。 归纳起来，主要有以下几方面内容： ( 1 ) 对现有国内外预应力混凝土连续刚构桥的发展及施工仿真分析做了回 顾。 ( 2 ) 详细介绍了a n s y s 二次开发功能和特点，并对如何用a n s y s 提供的四种 二次开发功能来实现用户目标傲了具体说明。 ( 3 ) 运用a n s y s 的u i d l 和a p d l 二次开发功能，编写了曲线梁参数化建模程 序、预应力损失程序、收缩计算程序；证明了在a n s y s 中用金属蠕变模拟混凝 土徐变的可行性，并使用f o r t r a n 7 7 语言，运用a n s y s 中u p f s 的二次开发功能 编写了用户自定义徐变方程；并编写了施工仿真计算程序命令流，实现了用 a n s y s 进行施工仿真分析。 ( 4 ) 以一座实桥的施工监控为背景，利用本文程序建立了空间有限元模型， 利用桥博建立了平面有限元模型，对施工过程进行了正装计算，并在现场采集 了相应的数据，将本文计算结果同桥博计算结果、实测数据进行了对比分析， 得出了一些有用的结论，为现阶段施工仿真分析以及施工监控提供了有意义的 参考依据。 。 1 0 硕士学位论文第二章a n s y s 二次开发概述 2 1 概述 第二章a n s y s 二次开发概述 a n s y s 程序是一个功能强大、通用性好的有限元分析程序，同时它还具有良 好的开放性，用户可以根据自身的需要在标准a n s y s 版本上进行功能扩充和系统 集成，生成具有行业分析特点和符合用户需要的用户版本的a n s y s 程序。开发功 能包括四个组成部分： ( 1 ) 参数化程序设计语言( a p d l ) ( 2 ) 用户界面设计语言( u i d l ) ( 3 ) 用户程序特性( u p f s ) ( 4 ) a n s y s 数据接口 2 2 参数化程序设计语言( a p d l ) 参数化程序设计语言( a p d l - a n s y sp a r a m e t r i cd e s i g nl a n g u a g e ) 实质上由 类似于f o r t r a n 7 7 的程序设计语言部分和1 0 0 0 多条a n s y s 命令组成。其中，程 序设计语言部分与其它编程语言一样，具有四种功能：1 ：变量和数组参数。2 ： 表达式和函数。3 ：流程控制( 循环与分支) 。4 ：缩写、宏以及用户程序。标准 的a n s y s 程序运行是由1 0 0 0 多条命令驱动的，这些命令可以写进程序设计语言 编写的程序，命令的参数可以赋于确定值，也可以通过表达式的结果或参数的方 式进行赋值。从a n s y s 命令的功能上讲，它们分别对应a n s y s 分析过程中的定义 几何模型、划分单元网格、材料定义、添加载荷和边界条件、控制和执行、求解 和后处理计算结果等指令，很多情况下，a p d l 主要用在优化设计或者自适应网 格划分中。 ， 用户可以利用程序设计语言将a n s y s 命令组织起来，编写出参数化的用户程 序，从而实现有限元分析的全过程，即建立参数化的c a d 模型、参数化的网格划 分与控制、参数化的材料定义、参数化的载荷和边界条件定义、参数化的分析控 制和求解以及参数化的后处理“”。 1 变量和数组参数 在j | i p d l 中参数即变量，用户在定义时不必指定参数类型，所有数值类型都 保存为双精度类型，也可将字符串赋值给参数，在a p d l 中也可以使用数组参数。 2 表达式和函数 硕士学位论文 第二章a n s y s 二次开发概述 表达式由参数、数字和加、减、乘、除等运算符组成，可以进行数值运算和 字符运算。在a p d l 中提供了一些常用的数学函数如三角函数、对数函数、内部 函数等。数组运算可以分为两类：一种是在列向量之间的运算称为向量运算，另 一种是在矩阵之间的运算称为矩阵运算。 3 流程控制( 循环与分支) 在正常情况下，a n s y s 按顺序执行每个语句，同时a p d l 提供了循环与控制 指令，通过这些指令来控制语句执行顺序，完成复杂程序的执行。 4 使用宏命令 宏是具有某种特殊功能的命令组合，实质上是参数化的用户小程序，可以当 作a n s y s 的命令处理，可以有输入参数或没有输入参数“”。 缩写是某条命令或宏的替代名称，它与被替代命令或宏存在一一对应的关 系，在a n s y s 中二者是完全等同的，但缩写更符合用户习惯，更易于记忆，减少 敲击键盘的次数。怂i s y st 具条就是一个很好的缩写例子。 用户可将一些经常使用的a n s y s 命令记录在一个宏文件中，也称为命令流文 件，通过宏可以更加有效的制定用户自己的命令町。 ( 1 ) 宏文件的创建 宏文件可以用“* c r e a t ”命令在命令行中创建宏文件。如果生成的宏较长， 且很复杂，或者编辑已经存在的宏，也可以用文本编辑软件来创建。a n s y s 允许 将一系列的宏放在一个文件里，这个文件就称宏库文件，可以用“* c r e a t ”命令 和文本编辑软件创建宏库文件。在宏库文件里，每个宏都以宏名作为起始位置， 在用“e o f ”命令作为结束标志。 ( 2 ) 局部变量 1 ) 将变量传递给宏可以使用1 9 个标量参数将执行命令中宏变量传递给宏， 这些标量可以在宏中重复使用，即他们的值对宏来说都是局部的，这些参数名是 ( a r g i a r g 9 ，a r i o a r l 9 ) 2 ) 宏里面的局部变量每个宏最多可以使用7 9 个标量参数作为局部变量( a r 2 2 a r 9 9 ) 这些参数对宏来说完全是局部的，这些参数并不传递给由宏调用的嵌套 宏。 ( 3 ) 宏的执行 1 ) 执行宏文件 用户可用使用命令“* u s e ”来执行任何宏文件，如果宏采用“m a c ”的扩 展名，并保存在搜索路径里，就可以像a n s y s 的内部命令一样在命令输入行中输 入宏名再运行它。 2 ) 执行宏库文件 1 2 硕士学位论文 第二章a n s y s 二次开发概述 执行一个包含在宏库文件里的宏，首先必须使用命令。* u l i b ”来指定一个 库文件，选择了一个宏库文件后，就可以使用命令。* u s e ”来执行包含在这个库 文件中的任何一个宏。 “) 宏的调用 a p d l 允许嵌套宏的层数最多可达2 0 ，宏调用是将1 9 个变量传递给宏，每个 宏执行结束后，返回到调用宏的地方从宏的调用来看，类似与通常编程语言中 子程序和函数的概念。 2 3 用户界面设计语言( u l d l ) 标准a n s y s 交互图形界面可以驱动a n s y s 命令，提供命令的各类输入参数接 口和控制开关，用户在图形驱动的级别上进行有限元分析，整个过程变得直观轻 松。u i d l 就是编写或改造a n s y s 图形界面的专用设计语言，g u i 方面几乎全部的 二次开发功能都将由它完成，主要完成以下三种图形界面的设计“”： ( 1 ) 主菜单系统及菜单项 ( 2 ) 对话框和拾取对话框 ( 3 ) 帮助系统 2 3 1u i d l 的主要功能 通过u i d l ，用户可以在扩充a n s y s 功能的同时建立起对应的图形驱动界面， 如在主菜单的某位置增加菜单项，设计对应的对话框、拾取对话框，实现参数的 输入和其它程序运行的控制，同时提供相应的联机帮助，使操作者能方便地获取 系统帮助。主要功能有： ( 1 ) 组织强大的菜单系统 在a n s y s 中也能轻松做出可以和v c 、b 之类主流g u i 开发工具媲美的菜单 响应效果。 ( 2 ) 构建功能繁复的对话框 利用强大的u i d l 工具，也能轻松架构起进行大型工程分析的实用对话框向 导。 ( 3 ) 建立自己的联机帮助 a n s y s 中的联机帮助非常实用，构建自己完善的帮助系统，u i d l 是这方面不 可或缺的理想开发工具。 1 3 硕士学位论文第二章a n s y s 二次开发概述 2 3 2u i d l 控制文件的结构 一个完整的u i d l 控制文件结构大致如图2 - 1 所示，任何一个u i d l 控制文件 开头都是一个控制文件头，其后接一个或多个结构块结构。 图2 - 1u i d l 控制文件结构图 ，控制文件头结构 一个典型的控制文件头如下所示： ：fu i m e n u g r n ：dm o d i f i e do n e 9 6 。r e v i s i o n ( s i o ) = 5 1 8 1 1 6 7 一f o ru s ew i t ha n s y s5 5 ：10，0，0 ：1 2 结构块结构 结构块结构是一个u i d l 控制文件的核心，它涵盖了菜单信息、命令信息、 以及帮助文件信息，按照其不同的类型可划分为菜单结构块，命令结构块和帮助 结构块。一般来说函数结构块还都伴随着构建一个对话框结构。结构块结构基本 框架见图2 - 2 。 图2 - 2 结构块结构基本框架图 一个典型的结构块文件如下所示： 迭酆筮 ：nm e na d d 1 4 硕士学位论文第二章a n s y s 二次开发概述 ：s0，0，0 ：tm e n u ：aa d d ：c ：da d d 熬堡撞剑部盆 f n c _ _ v a d d f n ca a d