ANSYS二次开发技术在确定缆索承重桥梁成桥初始恒载索力中的应用

1、ANSYS二次开发技术在确定缆索承重桥梁成桥初始恒载索力中的应用         对缆索承重桥梁进行全桥受力分析时，首先需要提供一组初始索力，使缆索承重桥梁在成桥恒载作用下满足设计的基本参数和性能，达到合理的受力状态和几何线型。对于悬索桥，合理成桥状态不仅和施工方法、构件自身特性有关，还与吊索内力有关，吊索内力不仅决定加劲梁的弯曲内力分配，也决定主缆的索形及内力分布，吊索成为了研究成桥受力状态的关键;对于斜拉桥，合理成桥状态必须综合考虑主梁、塔、索和墩的受力，即在成桥恒载作用下，主梁弯矩控制在“可行域”范围内，墩宜向岸侧有一

2、定的预偏量，斜拉索索力分布均匀，桥墩支座有足够的压力储备，其中斜拉索索力是研究成桥受力状态的关键;因此对缆索承重桥梁进行受力分析时，必须保证在成桥恒载作用下的吊索(斜拉索)计算索力与设计索力一致，才能保证在成桥恒载作用下桥梁处于合理成桥状态。 寻找初始索力的方法是假定一组索力，以初应变的形式加到吊索(斜拉索)上，计算在成桥恒载作用下的索力，并检查计算索力与设计索力的误差是否在允许的范围内，若误差过大，则修改吊索(斜拉索)初应变，再重新计算直至误差在允许的范围内，将最后一次计算所用的一组吊索(斜拉索)初应变乘以各自弹性模量即为所要找的一组初始索力。然而，对缆索承重桥梁这种柔性结构体系，

3、吊索(斜拉索)与吊索(斜拉索)之间的索力会相互影响，往往需要多次调试才能找到一组合理初始索力，并且每次调试都要修改吊索(斜拉索)的初应变，比较繁琐、费时。针对上述问题，本文提出利用ANSYS提供的二次开发技术，运用影响矩阵法，编制相应的调试程序来寻找缆索承重桥梁初始索力。该程序成功应用到确定一座自锚式悬索桥成桥初始恒载索力，为今后利用ANSYS解决桥梁中的同类问题提供了一条新的思路。1 ANSYS的二次开发技术1.1 户程序界面设计技术 ANSYS为用户进行程序界面设计提供了一种专用语言即UIDL(User Interface Design Language)。UIDL是一种程序化的

4、语言，用户通过向控制文件写人UIDL命令流来建立自定义的菜单、对话框和在线帮助，在扩充ANSYS 功能的同时建立起对应的图形驱动界面，从而实现命令重组、架设其他用户程序与ANSYS之间的桥梁等功能。1.2 参数化程序设计技术 ANSYS 提供了一种参数设计语言APDL(ANSYS Parametric Design Language)，APDL是一种非常类似于FoRTRAN的参数化设计语言，用户可以用它执行一般任务，甚至可以按照命令建立自己的模型。其核心内容为宏、参数、循环命令和条件语句。其中，程序设计语言部分与其它编程语言一样，具有多数、数组表达式、函数、流程控制(循环与分支)、宏

5、以及用户子程序等。用户可以利用程序设计语言将ANSYS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，即建立参数化的有限元模型、参数化的网格划分与控制、参数化的材料定义、参数化的荷载和边界条件定义、参数化的分析控制和求解以及参数化的后处理。 1.3 开放式的用户编程技术 ANSYS 提供给用户另一种二次开发技术一UPFS (User Programmablo Features)，它允许用户连接自己的FORTRAN程序和子过程，通过连接用户的FORTRAN程序生成了一个针对用户特点的ANSYS程序版本，该项技术充分显示了ANSYS的开放体系。用户不仅可以采用

6、它将ANSYS程序剪裁成符合自己所需的任何组织形式，如可以定义一种新的材料，一个新的单元或者给出一种新的屈服准则，而且还可以编写自己的优化算法，通过将整个ANSYS作为一个子程序调用的方式实现，从而实现从简单的单元输出功能到很复杂的用户优化算法。2 基于ANSYS二次开发的缆索承重桥梁初始索力确定2.1 几何非线性的考虑 悬索桥的几何非线性包括主缆几何非线性、加劲梁和索塔的梁柱效应和垂度效应;斜拉桥的几何非线性包括斜拉索的大位移效应、梁一柱效应和垂度效应。本文通过在变形后的位置上建立新的平衡方程来考虑几何非线性，用等效弹性模量法考虑主缆或斜拉索的垂度效应.2.2 缆索承重桥梁初始恒载

7、索力的确定方法 (1)初始索力向量F0( F0),等于设计索力向量 F，F=f1 ,f2 ,.,fi .,fn T,fi (i=1,2.,n)是吊索(斜拉索)的设计索力。(2)结果索力向量Fr，!Ft= fr1 ,fr2 ,.,fri .,frn T ,fri (i=1,2,.,n)是在成桥恒载作用下，吊索(斜拉索)的索力为初始索力时的计算索力。(3)调值向量F，是结果索力向量和设计索力向量的差值F=F1 ,F2 ,.,Fi ,.,FN T ,FI =fri -fi (i=1,2.,n).(4)被调向量X，是吊索(斜拉索)的索力增量X=x1，x2，xi，.，xn T(i=1，2.，n

8、)。(5) 影响向量Aj，是在成桥恒载初始索力作用下，让被调向量第i个元素xi成发生单位变化引起调值向量F的变化量，Aj=a1j，a2j，.，aij，.，amjT(i=1，2.，m，m=n)(6) 影响矩阵A，是m个被调向量发生单位变化，引起每个影响向量依次排列所形成的矩阵，A=A1，A2，.，Aj，.，Am如果认为 在调整阶段结构满足线性叠加原理，根据定义被调向量必须满足下面方程:AXt= F求解上述方程即可得到被调向量Xt，对于线性结构，一次调整即可得到较好的结果，对于非线性结构，可以采用循环影响矩法进行调整。本文计算方法为:假定设计索力为初始索力，考虑缆索承重桥梁的几何非线性效应，应力强

9、化效应，求出索力影响矩阵后反复计算并调整吊索(斜拉索)的初始索力，直至在成桥恒载作用下的结果索力与设计索力的相对误差在允许的范围内。具体步骤如下:(1) 输人桥梁结构的基本参数;(2) 假定初始索力F0为设计索力F;(3) 采用Newton-Rapson方法进行结构的平衡迭代(包含结构大位移、梁柱效应及垂度效应的影响)，求出结果索力F，调值向量F;(4) 检查f i/fi(i=1，2，.，n)是否小于允许误差，如果是则打印计算结果，否则令AlXt=F，求出Xt，更新初始索力向量，令Fo =F0-Xt,重复(3)、(4)，直到fi/fi小于允许误差。(5) 打印F0。2.3 基于ANSYS二次开

10、发的缆索承重桥梁初始索力确定的基本过程 针对所要解决的向题，用户可以选择相应的二次开发技术对ANSYS 进行二次开发。本文主要利用ANSYS提供的参数化设计语言APDL二次开发技术，将前面介绍的缆索承重桥梁初始索力确定方法在ANSYS中实现。具体步骤如下:(1) 建立有限元模型，定义荷载，边界条件;(2) 采用下面ANSYS 命令设置分析类型，求解单元内力和应变; SOLCONTROL,ON !优化非线性分析NLGEOM,ON !几何非线性分析SSTIF,ON !考虑应力刚化SOLVE !求解 (3) 利用 *do-lop命令循环求解，每求解一次，改变一根吊索(斜

11、拉索)的初应变，求出索力影响向量，循环结束后求出影响矩阵。(4) 利用 *do-lop命令循环求解，运用影响矩阵法求出结果索力，结果索力小于允许误差则停止计算;否则更新初始应变，重新计算，直到结果索力和设计索力差值小于允许误差。3 应用事例 以某自锚式悬索桥为例，该桥主跨为350m，边跨为270m，主跨垂跨比为1/12.5，塔高136m，拉索间距12m。建立脊梁式有限元模型，见图1，本模型中相邻吊索索力影响较大，采用人工调索的方法来寻找合理初始索力既费力又费时，且较难得到满意的结果，利用本文的方法能自动寻找合理初始索力，既方便又省时而，且精度高。索力计算值和设计值对比见表1 4 结语