在ANSYS中实现双肢薄壁桥墩参数优化设计的方法

1、在ANSY S中实现双肢薄壁桥墩参数优化设计的方法韩艳1,陈政清1,李开言2(1.湖南大学土木建筑学院,湖南长沙410082;2.中南大学土木建筑学院,湖南长沙410075摘要:在双薄壁墩连续刚构桥设计中,选择合理优化的双薄壁墩的墩距和壁厚等参数是至关重要的。根据主梁与桥墩共同变形协调条件,考虑单墩强度和稳定约束,应用ANSY S通用程序提供的参数优化设计方法进行优化设计,通过实例计算并与传统统计拟合方法进行比较,结果基本一致,验证了此方法的可行性。关键词:连续刚构桥;双薄壁墩;参数设计;ANSY S中图分类号:U442文献标识码:A文章编号:1672-7029(200506-0015-04A

2、pplication of ANSYS to the deterrmination of theparameter optimum de sign of double thin-wall pierH AN Y an1,CHE N Zhen2qing1,LI K ai2yan2(1.Civil Engineering and Architecture C ollege,Hunan University,Changsha410082,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Central S outh University,Chan

3、gsha410075,ChinaAbstract:In the design of the continuous rigid frame bridge with double thin-wall piers,the reas onable selecting of parameters is very im portant to the bridge.According to the condition of deformation com patibility between the main girder and the pier and paying regard to the cons

4、traint of strength and stability,the author makes the optimum design by adopting the parameter design method of ANSY S s oftware.An exam ple is analyzed by using this method and the result is in g ood agreement with the result of old method,which manifests the practicability of this method.K ey w or

5、ds:continuous rigid frame bridge;double thin-wall pier;parameter design;ANSY S连续刚构桥与连续梁桥施工相比无支座转换,主墩无支座,全桥伸缩缝少,行车舒适性好,在国内外大跨度桥梁建设中得到广泛应用。双薄壁墩连续刚构桥由于有较大的顺桥向抗弯和横桥向抗扭刚度,既可保证施工过程中的安全稳定性,又能满足特大跨径桥梁的受力要求。而顺桥向抗推刚度小的特点,不但能有效地减小温度、混凝土收缩徐变和地震力等引起的桥墩内力,而且降低了基础的设计难度,受到广大桥梁设计研究工作者的青睐1,2。然而在双薄壁墩连续刚构桥设计中,其设计难度较大且很

6、关键的问题是如何合理地选择双薄壁墩的墩距和壁厚,传统的技术方法是凭借经验或类比试算来决定墩距与壁厚,具有一定的片面性,其结果轻则致使工作量大,浪费了大量时间,重则导致方案的失误,浪费资金。本文利用ANSY S 通用软件提供的参数化设计语言(ADP L和优化设计等高级分析技术3,对双薄壁墩的墩距和壁厚进行分析设计和结构优化,不但结果可靠,而且工作效率高。1双薄壁墩桥墩的受力分析图1为双薄壁墩连续刚构桥的桥墩构造。对于连续刚构双薄壁墩来说,桥墩墩宽为常量a(通常取主梁底板宽。桥墩设计时,其结构的主要设计参数为墩中距(2e、墩壁厚(b,显然设计参数a和b 与墩高l和跨径L有关。第2卷第6期2005年

7、12月铁道科学与工程学报J OURNA L OF RAI LWAY SCIENCE AND EN GI NEERI N GVol12No16Dec.2005收稿日期:2005-06-10基金项目:国家自然科学基金资助项目(50178103作者简介:韩艳(1979,女,江苏连云港人,湖南大学博士研究生,从事桥梁结构研究 图1双薄壁墩构造Fig.1C onfiguration of double thin -wall pier对于大跨度桥梁结构,通常采用悬臂施工方法施工。施工过程中,墩顶部位主梁的负弯矩较大,为了保证施工阶段主梁强度和刚度要求,主梁截面尺寸一般较大。而双薄壁墩在施工和使用阶段的整体

8、抗弯刚度,是由双薄壁墩提供,即E J =ab 3/6+2abe 2,显然,双薄壁墩的整体抗弯刚度较大, 在保证整体刚度和稳定性的要求下,无需采用较大的截面尺寸。故对双薄壁墩的单墩而言,其截面尺寸仅要求满足单墩的抗压(拉强度和稳定性即可。于是单墩的抗弯刚度远小于主梁的抗弯刚度。因此,在寻求单墩与整墩之间的受力关系时,根据结构在以上分析的情况下,作出如下计算假定4,5:1假定主梁在墩顶部分为完全刚性;2桥墩墩顶内力作用在双薄壁墩墩顶处梁底墩中心处。根据假定,双薄壁墩单墩受力分析计算简图如图2所示。图2双薄壁墩计算简图Fig.2Calculation sketch of double thin -w

9、all pier2双薄壁桥墩的参数优化设计由前述分析可知,连续刚构桥双薄壁墩的优化设计,实际上是对桥墩设计参数墩壁厚度及双墩中心间距的优化设计过程,较一般构件优化设计复杂得多。此外,整体结构的受力状态对其影响很大,故需在整体分析的基础上进行结构优化设计。2.1优化数学模型的建立2.1.1目标函数对于双薄壁墩的壁厚和双墩中心间距的优化,其设计变量取为x=x 1x 2=b e(1式中b ,e 。目标函数为墩身单位长度的造价,这里仅考虑结构尺寸对墩身造价的影响,对于墩身内所配置的钢筋、模板及施工费用等,认为在设计方案选定中均为相等,故不予计入6,则目标函数为f (x =ba(22.1.2约束条件连续

10、刚构桥顺桥向桥墩刚度较独墩的抗弯刚度大,抗推刚度较小,通常满足使用和施工的要求,但其强度及单墩稳定性是设计中主要考虑的两个要素。1强度约束。根据双薄壁墩的计算简图分析其受力情况,可知双薄壁墩将有一个单墩轴力较大,另一个墩轴力较小,其弯矩相同。因此,对于小轴力墩强迫按大偏压构件设计,并考虑结构对称性和受力对称性即按对称配筋考虑,则强度约束条件为7n dbcR a ab 0.55(3式中:n d 为单墩墩顶的轴向内力;R a 为混凝土的极限抗压强度;b 和c 分别为工作条件安全系数和混凝土材料安全系数。将式(3转换为含有设计变量的表达式,即g 1(b ,e =n d -0.55bcR a ab 0

11、(42稳定约束。根据钢筋混凝土偏心受压构件,其稳定条件转化为1<<3(5式中为偏心距增大系数。由式(5可得kn d l210e E h I h03kn dl 210e E h I h -20(6式中:n d 为单墩墩底的轴向内力;E h 和I h 分别为构件的弹性模量和截面惯性矩;k 为安全系数,e 为构件刚度修正系数,e =0.10.2+e 0/h+0.16(e 0为初始偏心距,e 0=M 0/N 0;h 为偏心弯矩作用平面的截面高度。将式(6转换为含有设计变量的表达式,即g 2(b ,e =kn d l210e E h I h0g 3(b ,e =3kn dl 210e E h

12、 I h-20(761铁道科学与工程学报2005年12月2.2参数设计步骤采用ANSY S 提供的的参数化设计语言和优化设计技术进行其参数优化设计的步骤:1建立优化必需的分析文件(file.db 。包括参数化建立模型,求解,提取状态变量和目标函数;2设置优化变量;3设置优化控制选项;4进行优化并查看结果。其具体实现过程见图3 。图3双薄壁墩参数设计实现框图Fig.3Realization frame of parameter design of doublethin -wall pier3工程实例计算某大桥,其主桥跨径为78m +140m +78m ,桥面净宽15.5+2×0.5m

13、,主梁截面形式为单箱单室箱梁,箱梁顶面宽16.5m ,箱底宽8.5m ,主墩采用双矩形薄壁墩。3.1结构计算结构计算简图如图4所示,采用ANSY S 通用程序对原结构进行内力计算。图4结构计算简图Fig.4Calculation sketch of the structure通过计算可得双薄壁墩墩顶O 点的内力为H 0=80600kN N 0=113654kNM 0=258420kN3.2参数优化设计采用ANSY S 提供的优化设计技术进行优化设计8-10,b 取初始值为1.8m ,e 取初始值为3.8m ,l 取18.0m ,采用一阶方法进行优化,优化结果见表 1。表1l =18.0m 优化

14、b ,e 值T able 1Optimizing b ,e when l =18.0m墩高/m 墩壁厚b/m墩中距2e/m18.01.0057.64查看结果,观察目标函数f (x =ba 与设计变量b 、e 随迭代步数变化的情况,具体见图5图7。图5设计变量b 的变化Fig.5Figure showing the changing of the design variable b图6设计变量e 的变化Fig.6Figure showing the changing of the design variable e图7目标函数f (x 的变化Fig.7Figure showing the cha

15、nging of the objective functionf (x 71第6期韩艳,等:在ANSY S 中实现双肢薄壁桥墩参数优化设计的方法从图5图7可以看出,随着迭代步数的不断增加,不断对设计变量b,e进行优化,从而使目标函数f(x=ba达到最小,此时优化结束。当墩高发生变化,对双参数b,e进行优化,并与设计统计拟合结果进行比较,见表2。表2双薄壁墩设计参数比较T able2C omparison of design parameters of double thin-wall pier墩高L/m本文设计墩中距2e/m本文设计壁厚b/m统计拟合墩中距2e/m统计拟合壁厚b/m18.07.

16、64 1.0057.8 1.0410.0 6.480.660 6.80.83620.0 6.60 1.120 6.8 1.09530.0 6.89 1.600 6.8 1.35340.0 6.92 1.880 6.8 1.610由表2可以看出,本文方法与统计拟合结果基本一致,随墩高变化增大时优化结构较拟合优化尺寸增加快,这主要是由于稳定约束控制所致。4结语通过假定主梁与桥墩共同变形且主梁在墩顶对桥墩的刚性约束,利用ANSY S建立模型并进行计算,得出了双薄壁墩的内力值,由此建立了考虑桥墩强度和稳定约束的参数设计方法,参数设计由经验统计拟合上升到理论分析,再在理论分析的基础上利用大型通用程序AN

17、SY S进行建模计算,具有计算方便,节省时间等特点,在连续刚构桥设计中具有简便易用的效果。参考文献:1郭梅.高墩大跨连续刚构桥稳定性分析J.西安公路交通大学学报,1999,19(3:31-38.G UO Mei.S tability analysis of long-span continuous rigidframe bridges with high pierJ.Journal of X ian Jiaotong University,1999,19(3:31-38.2王睿,耿浩.在风载作用下高桥墩的非线性分析J.长沙铁道学院学报,1999,17(2:104-108.W ANG Rui,G

18、E NG Hao.N on-linear analysis of high bridge pier acted on by wind-forceJ.Journal of Changsha Rail2 way University,1999,17(2:104-108.3ANSY S用户手册Z.美国ANSY S公司北京办事处.1995.ANSY Ss user handbookZ.America ANSY S C ompany in Beijing.1995.4徐岳,郝宪武.连续刚构桥双薄臂墩参数设计方法研究J.中国公路学报,2002,15(2:79-82.X U Y ue,HE X ian2wu

19、.S tudy of the parameter design method of the continuous rigid frame bridges with double thin-wall pierJ.China Journal of Highway and T ransport.2002,15(2:79-82.5CHE N Z Q,AG ART J A.G eometric nonlinear analysis offlexible spatial beam structuresJ.C omp&S tru,1993, 49:1083-1094.6李炳威.结构优化设计M.北京:人民交通出版社,1989.LI Bing2wei.S tructural Optimum DesignM.Beijing:Chi2 na C ommunication Press,1989.7邵容光.结构设计原理M.北京:人民交通出版社,1993.SH AO R ong2guang.S tructural Design TheoryM.Beijing: China C ommunication Press,1993.8潘厚志,孙克利.基于ANSY S-APD L语言实现深埋结构与土体相互作用A.2000ANSY S中国用户年会论文集C.成都,2000.PAN H