斜拉桥－电视塔－流固耦合

庄茁1黄东平1汪正兴21清华大学航天航空学院2铁道部大桥局科学研究院2010.05.29-30,首届超限建筑结构有限元分析讲习班-北京,第2讲：荆州长江大桥南叉斜拉桥结构仿真,ABAQUS在桥梁结构中的应用,SeismicresponseretrofittingoftheGoldenGateBridgeTransientnonlineardynamics,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,桥塔桥面板,桥塔建模,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,拉索建模斜拉索建模主要有三种方法：等效弹性模量法、多段直杆法和曲线索单元法。,多段直杆法，将拉索离散成一串铰接的连杆，自重和其它载荷集中作用在节点处。每索30根杆，最大垂跨比约为0.4，准确度足够。,拉索不能受压。实际施工中，斜拉索经过了预张拉，拉索始终工作在拉伸状态。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,桥面体系桥面系包括主梁、桥面板和筋板，人们常用鱼刺模型。即将桥面视为理想的抗弯、抗剪、抗扭和抗轴力的均匀骨架单元。,将桥面板和主梁用实体单元模拟，下面的筋板用厚壳单元（8节点）模拟。,选择ABAQUS/Standard。,主梁采用Rebar技术施加预应力。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,静力学分析，一次性加载静载荷只包括了桥梁的自重,全桥竖向位移分布,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,桥面体系的最大挠度出现在中跨的梁段上，中心挠度11.4cm，边缘为9.5cm。位移与桥的跨度比很小，表明在设计成桥索力之下桥梁接近刚性支撑连续梁状态，设计索力是合理的。拉索中最大垂度为69cm，相应的垂跨比为0.4%。这说明了我们用30个拉杆单元模拟一根拉索能提供足够的精度。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,全桥纵向位移分布,纵向应力分布,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,桥面最大压应力在第20-23主梁下表面，为15MPa。主梁的材料为C60混凝土，其标准强度42.0MPa，设计强度32.5MPa，满足设计要求。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,5号梁段沿桥纵向应力(S33)分布情况,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,该桥桥面体系自身是很不平衡。为了体系的平衡，除了截面形状的变化外，边跨的最末几块桥面梁段配有较大的配重。,拉索体系受力均匀。最大索应力607.6MPa，拉索采用的是低松弛镀锌高强度钢丝，强度1570MPa，因此有约2.5倍的安全裕度。满足设计要求。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,逐段加载斜拉桥结构在其成桥过程中，整个桥的内力在不断地变化。甚至有些部位的受力情况与成桥之后的情况相差甚远。,用一次性加载，可能会无法估计到一些危险情况，例如满足成桥后的强度、刚度和稳定，不一定满足施工过程中的强度、刚度和稳定。,在实际施工中，用于改善结构受力的一些辅助设施(如支架、悬挂设施和临时墩等)的作用在一次性加载中无法得到体现。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,动态分析动态分析包括两个部分：模态分析和地震反应时程分析。,1阶振型(纵漂)，频率0.18459,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,2阶振型(一阶对称竖弯)，频率0.28296,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,3阶振型(一阶对称侧弯)，频率0.36452,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,4阶振型(一阶反对称竖弯)，频率0.47058,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,5阶振型(塔反对称侧弯)，频率0.51384,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,金门桥(1937-)宽跨比-27.4/1280.2=1:46.7塔科玛峡湾桥(1940-1940)-11.9/853.4=1:72,6阶振型(对称扭转)，频率0.58846,13阶振型(竖弯)，频率0.66620,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,32阶振型(塔对称侧弯)，频率0.77994,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,46阶振型(竖弯)，频率0.82465,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,50阶振型(反对称扭转)，频率0.84960,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,荆沙大桥与南浦大桥振型比较南浦大桥荆沙大桥10.14255(纵漂)10.18459(纵漂)20.34306(一阶对称竖弯)20.28296(一阶对称竖弯)30.34598(一阶对称侧弯)30.36452(一阶对称侧弯)40.42349(一阶反对称竖弯)40.47058(一阶反对称竖弯)50.49886(对称扭转)50.51384(塔反对称侧弯)60.50687(塔反对称侧弯)60.58846(对称扭转)70.53913(塔对称侧弯)130.66620(竖弯)80.61027(反对称扭转)320.77994(塔对称侧弯)90.63359(竖弯)460.82465(竖弯)100.73336(竖弯)500.84960(反对称扭转),荆州长江斜拉桥结构三维仿真,从抗震的概念考虑，希望结构柔一些，振动周期长，地震反应小。,一阶对称竖向弯曲振型对桥的地震响应和抗风稳定性有很大影响，对车辆振动的反应起主要作用。,一阶扭频与桥的颤振有很大关系，因为扭转振型在斜拉桥的颤振中占主要成份。一阶扭转与一阶挠曲频率之比是衡量抗风稳定性的指标，这里为2.08。,二维模型求解结构的振动有局限性，解不出横向振动和扭转振动。但是还是能求解与面内的弯曲相关的振型和频率。与平面模型仿真结果相比较，所有面内振型完全一致，频率也很接近。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,地震反应时程分析将EI-CENTRO地震的加速度历史记录作为加速度载荷加载到边界上。,主跨为300米左右的斜拉桥，其阻尼分布在0.01-0.02之间，简单的取阻尼为0.015。,成桥之后，斜拉桥的非线性特征表现得并不明显。忽略几何非线性的影响是允许的。用振型叠加法是允许的。,荆州长江斜拉桥结构三维仿真,庄茁柳占立张天禄清华大学航天航空学院,第3讲：广州新电视塔罕遇地震下的弹塑性分析,首届超限建筑结构有限元分析讲习班-北京,世界著名高塔,多伦多电视塔和上海东方明珠电视塔,广州新电视塔，454156610m,广州新电视塔结构分为四个部分：1、钢结构椭圆形旋转变截面外框架2、椭圆形混凝土核心筒3、组合结构楼面4、钢结构桅杆天线,广州新电视塔,广州新电视塔高610米，由高达454米的主塔和高156米的天线桅杆构成。建成之后为世界上最高的钢筋混凝土塔。塔体包括37层不同功能的封闭楼层，作为观光层，餐厅，电视广播技术中心以及休闲娱乐区等。塔的结构是由一个向上旋转的椭圆形钢外壳变化生成，其腰部纤细，体态生动，而结构通过其外部的刚性柱、斜撑、环梁和内部的钢筋混凝土筒充分展现了建筑所要表达的建筑造型。,广州新电视塔,广州新电视塔，454156610m,广州新电视塔风洞试验,广州新电视塔几何构形,线条纤细的钢结构外筒,广州新电视塔,上部桅杆,有限元单元,外层塔体钢结构主要采用梁单元：B31；内层混凝土结构主要采用实体单元：C3D8R；各层间平台主要采用壳单元：S3R。,混凝土材料定义,混凝土材料采用塑性损伤模型(Plastic-DamagedModel)根据GB50010-2002混凝土强度分类如下:C25,C30,C35,C40,C45,C50,弹性模量单位kN/m2,损伤系数:混凝土材料进入塑性状态伴随着刚度的退化,混凝土材料定义,混凝土压缩,混凝土拉伸,StiffnessRecovery当荷载从拉变压时:混凝土材料的裂缝闭合,抗压刚度恢复,即wc1；当荷载从压变拉时:混凝土材料的抗拉刚度不恢复,即wt=0。,混凝土材料定义,钢材(Q345)采用运动强化模型(Kinematichardening)，考虑包辛格效应，在循环过程中，无刚度退化。,钢材料定义,广州新电视塔固有频率分析,振型1，频率为0.0803Hz,振型2，频率为0.115Hz,振型10，频率为0.769Hz,振型20，频率为2.3Hz,广州新电视塔固有频率分析,广州新电视塔固有频率分析,地震波时间加速度历程,加速度边界条件,地震载荷:在底部施加加速度边界条件a1,a2,a3,广州新电视塔地震反应时程分析,两个不同方向的位移，桅杆天线最大相对位移为0.0066m,地震反应时程分析,第4讲：流/固耦合程序和计算,首届超限建筑结构有限元分析讲习班-北京,流固弱耦合接口程序,按空气动力学规律产气动力A，而固体结构运动时则引起惯性力I，这两种力A+I使固体产生弹性变形H，从而又产生新的作用力A和I，这样以反馈过程的形式构成一条闭合回路。,根据现有的可行方法，采用弱耦合方法，即CFD（计算流体动力学）和CSD（计算结构动力学）分离求解，即结构和流体方程独立求解，在一个收敛增量步后交换界面载荷和边界条件，但保证时间和空间上的一致。,流固弱耦合接口程序,在耦合面上，CFD与CSD网格节点间，进行节点力和节点位移数据的交换，保证计算的时间步长足够的小，使得在该步长内，CSD节点力可以默认为常值，产生的位移量小。,流固弱耦合接口程序,开发ABAQUS/FLUENT交互作用软件，使A和F同时求解，在完成一个时间步后交换数据，然后F和A再同步求解，如此循环，这将极大提高大型计算问题的解算效率。通过C语言程序编写接口，实现FLUENT与ABAQUS之间的数据交换，应用UDF与Fluent的动网格，实现耦合面的移动与流体区域网格的重构，实现弱耦合下F与A流固耦合数值分析。,流固弱耦合接口程序,流固弱耦合接口程序,Fluend,ABAQUS,FAST,自主开发结构/流体(气体)交互作用软件FAST，研究结构的气动弹性。,Fast-FluidandSolidInteraction.代替Mpcci。,Mpcci,二维弹性板风载动态响应,板初始位置,板的最大变形,三维弹性板风载动态响应,板初始位置,板的变形,DYFRAC,FLUID,FAST,自主开发结构/流体(气体)交互作用软件，进行压力容器动态断裂和空间飞行器的研究。,流固弱耦合接口程序,Fast-FluidandSolidInteraction,飞艇表面的流线图,流固弱耦合接口程序,ABAQUS计算的位移图,DYFRAC计算的位移图,3s和5s时的流场马赫数图,Elephantfootbulging(EFB)Diamondshapebulging(DSB),流体/结构耦合分析,流体/结构耦合分析,程序平台：ABAQUS/用户单元附加