2009年1月文章编号:100926825(2009)0120329202
SHANXI ARCHITECTURE
西建
Vol.35No.1筑
Jan. 2009
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ANSYS在斜拉桥的稳定分析中的应用
鄢生全 柴海峰 田浩亮
摘 要:指出斜拉桥的稳定是斜拉桥设计和施工的关键问题之一,在回顾稳定的有限元计算方法的基础上介绍了基于
ANSYS稳定计算的方法,并将该方法运用在实桥的计算中,从而推广该方法的应用。关键词:斜拉桥稳定,有限元,ANSYS中图分类号:U448.27文献标识码:A
由于斜拉桥独特的结构特征,即通过调整斜拉索的初张力,
把梁部的恒载及活载作用由塔传至基础,使塔、梁承受巨大的压力。由于大型桥梁在国家基础设施中所占的重要地位,其稳定问题备受关注[1]。
桥梁失稳事故的发生促进了桥梁稳定事业的发展,与桥梁结构相关的稳定理论已有悠久的历史。当今,人们将有限元与计算机结合,用有限元程序求解斜拉桥的整体稳定性问题,取得了巨大的成功。
在有限元计算中,考虑了结构的几何刚度,该刚度反映了结构的不稳定因素。当外力增加λ倍时,杆力和几何刚度矩阵也增大了λ倍,因而可以写出下式:
([K]D+λ[K]σ){δ}=λ{F}。如果λ足够大,使得结构达到随遇平衡状态,节点位移矩阵δ由{δ}变为{δ}+{Δ},上式平衡方程也能满足,则:([K]D+λ[K]σ)({δδ}+{Δ})=λ{F}。
同时满足上面两式的条件是:
([K]D+λ[K]σ){Δδ}={0}。
1 第一类稳定和第二类稳定计算的有限元实现仅在使用的方便程度上有了质的飞跃,而且在分析手段上也有了
很大提高,声失时判读已不再是唯一的选择,声幅和声频已开始进入了分析判断领域,尤其令人欣慰的是,声波CT已步入实用阶段,为声波透射法的后续研究提供了广阔的前景。
3.6 动静法
由于高应变动力试桩法力的作用时间过短,桩只能被视为弹性体进行分析,国外有人提出了一种动静法,采用技术将力的作用时间延长,使沿桩身传播的应力波波长大于实际桩长,进而将桩视为刚体,回避了应力波的传播问题。应该说这种方法既克服了传统静载试验的笨重与费时,也克服了高应力方法的过分间接性,是一种较好的方法,但由于该方法对锤的配重要求太高,具体操作仍有较大难度。
3.4 应力波反射法完整性检测
尽管近年来国内外对于这种方法的研究未见本质性的进展,但在实用和普及方面国内却有较大提高,这些不仅表现在国产桩基动测仪和配套用传感已达到或接近国外先进仪器方面,也表现在许多单位认真研究各个测试细小环节和分析环节方面,更主要的是表现在许多管理部门已开始认真总结应力波反射法完整性检测的得与失,开始使这种方法的应用回归到一种正常的位置,如广东省正在将这种方法定位于为后续检测提供前期技术准备,这种定位已与该方法解决问题的真实能力完全对应。
4 结语
伴随着城乡建设事业的迅速发展,桩基工程越来越多,桩基工程的施工质量必须引起高度的重视,以防留下诸多安全隐患。近些年来,桩基工程检测技术也成为一个热门,并得到广泛重视,特别是近10年,桩基检测技术得到了长足的发展,有关桩基工程检测的标准、规范相继发布、施行,使桩基检测工作进一步规范化,对保证工程质量起到了良好的作用。参考文献:[1] JGJ10622003,建筑基桩检测技术规范[S].[2] 黄为民.浅谈桥梁钻孔灌注桩施工体会[J].山西建筑,2007,
33(19):1032104.[3] 付建新.桩基检测研析[J].山西建筑,2007,33(20):1082109.
3.5 高应变动力试桩法
在我国,高应变动力试桩法的研究是起自20世纪80年代中
后期,90年代初期已有相关的软硬件问题,其实际应用效果已不弱于国外,其后面向国内大量的灌注桩检测,已有单位在模型改进、拟合技巧、参数选定等方面进行了大量工作,也有应用者在桩如何才算被充分激发方面进行了研究。值得一提的是,桩基动测方面,国产仪器和软件业已达到国际先进水平,许多方面甚于更具有中国特色。
Theconstructionanddetectionofhighwaybridgepilefoundation
LIJian2zhong
Abstract:Combinedwiththeapplicationofcastinplaceboredpileandmanualdiggingpileinhighwaybridgepilefoundation,thekeymattersofbothfilefoundationconstructionwerediscussed.Themaintechnologyofpresentpilefoundationdetectionwasintroducedsoastocompleteconstructiontechnologyofhighwaybridgepilefoundationandenhancepilefoundationconstructionquality.Keywords:manualdiggingpile,castinplaceboredpile,construction,detection,quality
收稿日期:2008209211
作者简介:鄢生全(19832),男,助理工程师,广东长大公路工程有限公司第一分公司,广东广州 511431
柴海峰(19832),男,助理工程师,中交二航局二公司,重庆 400074
田浩亮(19822),男,助理工程师,中交第一公路勘察设计研究院有限责任公司,陕西西安 710075
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第35卷第1期
山2009年1月
西建筑
5)观察结果。进入一般后处理器查看各阶特征值对应的变
其中,[K]D为结构整体弹性刚度矩阵;[K]σ为结构整体几
何刚度矩阵;λ为整体安全系数。
这就是计算稳定安全系数的特征方程式,如果方程有n阶,那么理论上存在n个特征值λ1,λ2,…,λn,工程问题中只有最低阶特征值才有意义。
由于第一类稳定问题是分支点失稳,实际工程结构都存在初始缺陷,是极值失稳问题即第二类稳定。由于斜拉桥存在几何非线性和材料非线性,因此,第二类稳定问题必须考虑线性影响。
形图即为对应的失稳模态。因为特征值分析的结果本身是计算值的上限,且只允许线性行为。
2.2 特征值屈曲分析方法
Δ曲线,其中,Δ为非线性稳定分析的实质是求全过程P—
关心节点的位移;P为加载系数,取值0～1,其含义是迭代荷载与预加极限荷载的比值。非线性稳定包括几何非线性稳定和材料非线性稳定。
几何非线性屈曲分析可以直接利用特征值屈曲分析的模型,因为非线性的材料性质将被忽略。
ANSYS中几何非线性屈曲分析的步骤如下:1)建立模型。2)求解。
a.进入求解器,施加约束;b.特征值屈曲分析;c.根据特征值分析的结果施加荷载和初始缺陷(通常是将单倍荷载乘以第一阶特征值作为几何非线性分析的荷载上限来施加,根据特征值分析的第一阶失稳模态给结构施加初始缺陷);d.设定分析选项,主要包括打开大变形开关(NLGEOM,ON),牛顿—拉普森选项(NROPT,ON)等;e.指定荷载步选项,包括指定TIME值和AU2TOT自动荷载分步项等;f.设定收敛准则;g.确定最大平衡迭代次数和求解终止准则;h.求解发散,在后处理中检查构件内力,查看各子步计算结果中单元受力状态,如果第K子步构件实际受力超过了该构件的极限承载力,则记录该构件对应的单元,在以后的计算中将这些单元杀死,重启动至第K-1子步计算结束状态并继续加载,一直循环计算到不再删除单元,计算结束。
3)进入一般后处理器或时间历程后处理器查看结果。
1.1 几何非线性法
[2]
斜拉桥结构几何非线性增量平衡方程为:
δ[K]T{Δ}={ΔF}。
[K]T=[K]DL+[K]σ。
其中,[K]T为结构切线刚度矩阵;[K]DL为考虑结构非线性
的总体弹性刚度矩阵;{ΔF}为外荷载增量。
[K]DL考虑了几何非线性,因为考虑几何非线性后,变形导
δ致坐标参考系的改变,因此构成刚度矩阵的几何参数变化受{Δ}影响,构成非线性关系。
1.2 考虑几何非线性和材料非线性法[2]考虑几何非线性和材料非线性的斜拉桥结构增量平衡方程和计算情形与几何非线性一致,但是切线刚度矩阵发生变化:
[K]T=[K]DL+[K]ep+[K]σ。
其中,[K]ep为弹塑性刚度矩阵。
第二类稳定的安全系数可以采用下式计算:
λ=
Pcritical。Pexisting
其中,Pcritical为结构的临界荷载;Pexisting为结构的实际荷载。
2 斜拉桥稳定计算在ANSYS中的实现
ANSYS程序提供两种结构屈曲载荷和屈曲模态的分析方法
3 斜拉桥稳定计算算例
建立了某斜拉桥的有限元模型,主塔及主梁采用Beam188单
元,斜拉索采用Link10单元,材料非线性采用理想弹塑性模型,双线性各向同性强化模型,VonMisses屈服准则,计算得到的稳定安全系数见表1。
表1 稳定安全系数
项目
最大双悬最大单悬成桥状
弹性稳定19.28.55.5
几何非线性
19.89.26.1
双重非线性
5.54.73.6
为:特征值屈曲分析和非线性屈曲分析。
2.1 特征值屈曲分析方法
ANSYS中特征值屈曲分析的步骤如下:
1)建立模型。这一步和通常的建模方法相同,进入前处理器
定义单元类型、单元实常数、材料性质、模型几何形状。但是建立的模型有如下要求:a.只允许线性行为,如果定义了非线性单元,则将按线性对待;b.材料的弹性模量或某种形式的刚度必须定义,非线性的材料性质即使被定义也将被忽略。
2)获得静力解。先定义约束及荷载,并求解。在这一步里必须打开预应力开关命令,以记录内力并求得应力刚度矩阵。求解完成后退出求解器。
3)获得特征值屈曲解。重新进入求解器:定义分析类型为特征值屈曲分析;定义分析选项,分析选项包括特征值提取方式、需提取的特征值数目、特征值计算的起始点;定义荷载步选项;求解。
4)展开解。展开解就是根据需要选定前几阶特征值求对应的特征向量。考虑到只有最小特征值才有实际意义,本文仅取了第一阶特征值。
4 结语
稳定是斜拉桥计算的一个重要部分,本文在阐述计算第一类稳定和第二类稳定的有限元方法的基础上,介绍了采用ANSYS计算斜拉桥稳定性的方法,并将该方法运用在实桥的计算当中。参考文献:[1] 葛耀君.索—塔—梁耦合作用下的斜拉桥侧倾稳定性[J].
中国公路学报,1995,8(4):38244.[2] 程 进,江见鲸.大跨度钢拱桥结构极限承载能力分析[J].
工程力学,2003,20(2):4.
ApplicationofANSYSinthestabilityanalysisofcable2stayedbridge
YANSheng2quan CHAIHai2feng TIANHao2liang
Abstract:Itpointsoutthatthestabilityofcable2stayedbridgeisoneofthekeyissuesofthedesignandconstructionofcable2stayedbridge,in2troducesthestabilitycalculationmethodbaseduponANSYSafterreviewingthestablefiniteelementcalculationmethod,andappliesthismethodintoactualbridgecalculation,soastopromotetheapplicationofthismethod.Keywords:cable2stayedbridgestability,finiteelement,ANSYS
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