大跨度桥梁有限元分析

大跨度桥梁有限元分析

1.我国地震灾害的水平地震是一种重大的自然灾害。地震的发生往往会造成房屋倒塌、道路中断、桥梁坍塌、人员伤亡等严重后果。次生破坏造成的经济损失更大。以目前的人类科技水平而言,地震是不能准确预测和无法控制的;而地震的发生又是不可避免的,而我国又处于世界上两个最活跃的地震带上,一个是环太平洋地震带(我国东部地区);一个是欧亚地震带(我国西部及西南部是其通过地区),因而我国是地震灾害最严重的国家之一。因此研究地震作用下桥梁结构的反应尤为重要。本文主要对大跨度桥梁有限元模拟中涉及的有限元基本概念和在SAP2000中如何实现大跨度桥梁的抗震分析进行了总结,着重于工程的实际可操作性和细节的处理,最后指出需要注意的问题。2.有限单元类型的形式和刚度矩阵目前,对于大跨度桥梁的分析,特别是抗震分析一般都是借助于有限元程序来完成的。有限元方法是利用电子计算机的一种数值分析方法。本部分主要是对桥梁结构线性地震反应计算中常用的有限单元类型的形式和刚度矩阵做一个简单介绍。采用空间杆系有限元分析桥梁结构,一般采用弹簧单元模拟各种弹性连接装置(土对桩基的弹性作用、塔梁之间的弹性约束等)采用桁架单元模拟缆索系统(斜拉索、主缆、吊杆等),采用梁单元模拟桩、墩柱和梁等受压构件,采用带刚臂的单元模拟节点区域的连接(墩与系梁,塔与横梁等之间的连接)。这些弹性约束、桁架单元、梁单元和带刚臂的梁单元的平面自由度和单元连接形式分别见图1,单元的刚度矩阵分别见公式1-4。3.建筑结构分析与设计软件行业标准sap2000是由美国CSI公司开发研制的建筑结构分析与设计软件,至今已有三十多年的发展历史,是美国乃至全球公认的建筑结构分析与设计软件的业界标准。SAP2000集成了荷载计算、静动力分析、线性和非线性计算等所有计算分析为一体,采用了先进的计算分析技术,计算快捷,分析结果合理可靠,其权威性和可靠性得到了国际上业界的一致肯定。下面详细介绍适合抗震分析的斜拉桥有限元模型建立过程中遇到的主要问题及解决方案。3.1钢箱梁截面特性的sys法大跨度斜拉桥一般采用钢箱梁。钢箱梁是桥梁工程中最复杂的截面形式之一,但是从抗震角度来讲,可以将其简化为一根具有指定面积,抗弯惯矩和抗扭惯矩的梁单元。该梁单元能够反映实际钢箱梁的质量和刚度(抗弯惯矩和抗扭惯矩)。在实际工程应用中,一般采用AutoCAD、ANSYS、Midas等常用软件来计算复杂钢箱梁的截面特性。由于Midas需要在提供的编辑器中从新定义坐标,显得不方便;而AutoCAD虽然可以方便地利用现成的CAD图来创建面域,通过查询面域属性的方式来获取截面的截面特性,但是不能得到截面的抗扭惯矩。所以,比较方便的是采用ANSYS来计算截面特性。其方法是利用已有的CAD线框图创建面域,另存为SAT格式,然后将其导入ANSYS中。只要CAD框图按照实际尺寸精确绘制,在ANSYS中恰当设置划分单元的长度,即可方便准确地得到满足抗震计算的钢箱梁截面特性。另一方面,抗震分析一般是在初步静力设计的基础上进行,因而桥面系的一期恒载和二期恒载的线密度可以方便准确地提供。所以在用SAP2000进行抗震分析时,通过Generalsection指定钢箱梁的截面特性,然后采用等效密度方法(将恒载线密度除以钢箱梁的面积)或施加线质量的方法(钢箱梁的密度设为零,其质量完全由线密度指定)施加恒载质量。在某些情况下,还应该要考虑活载的影响,按照活载的一定比例折算成质量施加在主梁上,比如我国《双层高架桥梁抗震设计指南》中规定,在进行横桥方向分析时,应考虑轻轨车辆质量的影响,车辆的质量按50%考虑,作用于轨顶以上2m处。3.2单根桁架单元模型斜拉索由于自重会发生挠曲,产生垂度效应。一般可以通过三种方式来考虑这种效应:多段索单元、多段桁架单元和Ernst等效弹性模量修正的单根桁架单元。采用多个索单元和桁架单元会出现较多的局部振形,干扰对控制振形的把握,一般不采用。工程中多采用Ernst等效弹性模量修正的单根桁架单元模型来模拟斜拉索,只输入索的有效面积,考虑轴向刚度,不考虑抗弯和抗扭。同时采用等效密度法来考虑斜拉索的质量。3.3变截面的处理塔和墩柱截面形式一般比较简单,要注意空心段和实心段的划分。比较特殊的情况是变截面的处理。对于变截面可以利用SAP2000中的变截面(Nonprismatic)单元功能,指定两端的截面特性和两端之间截面的变化规律,或者采用多段等截面近似。3.4主从约束实现形式SAP2000中的连接单元非常丰富,可以准确模拟大跨度桥梁有限元模拟中存在的各种连接属性,比如弹性约束(单向、多向非耦合、多向耦合)、主从约束、阻尼器(线性和非线性)、非线性摩擦支座等。下面重点介绍一下主从约束。把实际结构离散为杆系,存在多处主从约束:墩梁处、斜拉索与主梁、墩柱与横梁处、层台与桩基础处等等,详见图2。主从约束在SAP2000中有多种实现形式:1)Bodyconstraint;2)刚臂(无质量,刚度比相邻梁单元刚度大2-3倍的梁单元);3)Link单元中的沿某个方向功能。由于在实际建模过程中会出现一个点与另外多个点主从约束的情况,如图2所示。图2-c中没有将墩底,承台中心和桩顶的所有点用一个主从来表示,而是采用一个刚臂连接两个主从的形式,主要是考虑到提取群桩的合力的方便起见的。如果是多点相同,Bodyconstraint比较方便;如果多点不同,可视具体情况采用上述三种形式实现满足实际情况的主从约束。4.主要结论和建议本文对采用有限元法分析大跨度桥梁抗震分析过程中,涉及的关键问题进行了详细介绍,得到的主要