桥梁软件应用论文.doc

基于ANSYS的大跨径桥梁结构施工仿真分析 摘要：介绍了ANSYS软件的基本功能及其前后处理、求解器和相应的二次开发工具，讨论了基于ANSYS软件的APDL语言程序开发大跨径桥梁结构施工仿真程序中值得注意的一些问题，最后对某特大桥进行了施工仿真分析。关键词：大跨径桥梁结构，施工仿真分析，二次开发，ANSYSA Abstract：The fundamental features and secondary development tools of ANSYS software are presentedBased on the APDL programming technique，a fundamental procedure of developing a long-span bridge structure simulation program is developedSome problems in developing the bridge simulation program based on ANSYS software are discussed and some suggestions are givenFinally，the developed program is applied to analyze static behavior of a bridge Key words：longspan bridge structure，simulation analysis during construction，secondary development，ANSYS ANSYS软件是国内外学者广泛采用的一种大型有限元软件。然而由于该软件是通用性有限元软件，因而无法直接将其应用到大跨复杂桥梁结构静力问题的求解，而必须对其进行二次开发后才能使用。首先，简要介绍ANSYS软件的基本功能及其相应的二次开发工具。其次，讨论了基于ANSYS软件开发大跨径桥梁结构施工仿真程序过程中值得注意的一些问题。最后，对某特大桥进行了施工仿真分析。1 基于ANSYS软件开发桥梁结构施工仿真分析程序 1.1单元类型的选取 采用ANSYS软件进行桥梁结构施工过程分析时，宜按以下原则来选取单元：1)选取的单元必须最大程度地模拟结构的受力性能；2)必须保证计算结果具有足够的精度；3)有限元模型建立要尽量简便，计算工作量要尽量小，进行结果处理时也要比较方便。因此，在某特大桥施工过程分析中主要采用了以下4种单元类型：空间梁单元Beam44、空间杆单元Link8、壳单元Shell63和弹簧单元Combinl4。 1.2预应力钢筋的处理 在混凝土桥梁中，预应力技术应用广泛，预应力钢筋对保证整个桥梁结构的安全起着极为重要的作用。能否合理模拟预应力已成为施工模拟程序成功与否的关键。ANSYS中对预应力的模拟方法很多，本文着重介绍整体式方法。将混凝土和力筋划分为不同的单元一起考虑而模拟预应力又可以分为降温方法和初应变方法。主要缺点是建模不便，尤其是当力筋较多且有曲线布筋时(可以采用APDL解决)；其优点也是很明显的：1)力筋的具体位置一定，对结构的影响可以全面考虑；2)力筋对混凝土的作用近似的得到考虑(在节点处)；3)可以模拟张拉不同的力筋，以优化张拉顺序；4)不管何种荷载，都是力筋和混凝土共同承担。可以得到力筋在任何荷载下的应力；5)可以模拟预应力损失的影响。混凝土和力筋单元的连接可以采用节点耦合的方法，该方法简单、实用。综上所述，对于大型复杂桥梁结构预应力钢筋的模拟宜采用降温方法或初应变方法。 1.3施工过程的模拟分析方法 大跨度桥梁结构的施工工序复杂，全桥刚度是分阶段逐步形成的，桥梁结构的最终形成，必须经历一个漫长而又复杂的施工过程以及结构体系转化过程，结构体系和荷载随施工而不断变化，结构分析的单元与节点数目也比较多，为此，本文将“单元生死技术”引入到大跨径桥梁结构施工过程的模拟分析中，只需进行一次分析模型的建立，即在分析前一次性将成桥状态的全桥分析模型建立好，然后根据各个阶段的施工状况通过激活或杀死单元以及设置相应的荷载步来模拟桥梁施工全过程。通过引入“单元生死”技术，使得该桥的施工仿真分析过程大大简化，处理结果也比较方便。本文基于ANSYS单元生死功能和参数设计语言(APDL)编制程序功能,将上述思想应用到该特大桥的施丁过程结构分析中。 1.4结构的非线性问题 结构非线性问题，通常分为两大类，即材料非线性问题和几何非线性问题。在该大跨径桥梁结构施工过程中，结构的材料一般都处于弹性范围之内，施工仿真分析时，该桥的非线性影响主要由几何非线性引起，材料非线性的影响一般可以不考虑。因此本文也仅考虑几何非线性对结构的影响。2工程实例分析 2.1工程概况 某特大桥全长约1341m,其中主桥长度640m,为120m+400m+120m的斜拉钢管混凝土拱桥，该桥主桥由塔、斜拉索、钢管混凝土拱、吊杆、系杆、钢一混结构桥面系、预应力混凝土边跨箱梁等组成多体系组合结构。桥面全宽27m，设双向2横坡,主跨桥面系采用悬吊体系，由钢横梁、钢纵梁和混凝土桥面板组成。混凝土索塔为花瓶形，顺桥向为独柱，横桥向为双柱花瓶形，塔上设三道横梁。主拱采用中承式双肋无铰月牙式平行拱,计算跨径388m,拱轴线在竖直面上的投影为七次抛物线。边拱为双肋上承式钢筋混凝士箱形半拱,形成“飞燕”构图，计算跨62.0m。斜拉索采用审15.7镀锌涂油外包PE钢绞线，HDPE外套,两端采用FREYSSINET HD2000FPB锚具,斜拉索的布置采用空间扇形,每塔10对斜拉索。主桥共设16根49束15.7钢绞线系杆，每个拱肋8根，按两排4根布置。图1为成桥有限元模型 2.2空间有限元模型 结构混凝土主梁、主拱等离散为Beam44单元,斜拉索、系杆、吊杆离散为Link8单元，主拱间缀板离散为Shdl63壳，采用Combinl4单元模拟桩和土效应，采用大型通用有限元软件ANSYS建立了该桥有限元模型。空间有限元模型单元数为14653，节点数为8301。 2.3仿真计算与分析 2.3.1全桥施工阶段划分整个仿真计算根据设计图纸共分为36个计算阶段，列举几个典型的施上阶段有限元图形如图2图5所示。图2安装7号主拱节段的有限元模型232使用阶段计算及其结果分析根据桥梁规范，结合本工程实例，确定荷载组合为结构自重+二恒荷载+预应力+汽车荷载+人群荷载。汽车活载为公路I级荷载，按6车道考虑，车道折减系数0.55,纵向折减系数O.97,人行道荷载集度4kN/。另外近似考虑了结构整体升温降温、混凝土收缩徐变等荷载作用，进行了偏载工况、更换斜拉索和结构敏感性等多种工况分析。3 结语 通过介绍和工程实例显示可以看出，利用ANSYS提供的二次开发工具(APDL语言)进行大跨桥梁结构静力问题的求解是完全可行的，也是有效的。掌握和运用好这一工具对我们进行桥梁结构计算分析就显得方便快捷，尤其是对大型复杂桥梁结构的施工过程仿真分析就更为实用。参考文献：1美国ANSYS公司ANSYSAPDL Programmers Guide,19942美国ANSYS公司.Theory Release5.7,19983 博嘉科技有限元分析软件ANSYS融会与贯通M.北京：中国水利水电出版社,20024龚曙光,谢桂兰.ANSYS操作命令与参数化编程M.北京:机械工业出社,20045张亚欧,谷志飞,宋勇ANSYS7.0有限元分析实用教程M.北京:清华大学出版社,20046祝效华,余志详.ANSYS高级工程有限元分析范例精选M.北京:电子工业出版社,