斜拉桥极限承载力分析中调索程序的开发

斜拉桥极限承载力分析中调索程序的开发

在分析斜拉桥的有限载荷时，首先需要提供一组初始重力，以便计算桥的稳定状态下的重力，这与设计公司提供的一致。而要找到这一组斜拉索初始索力是一个非常繁琐的过程。文献将成桥状态给定的索力作为一对荷载加到塔和梁上,其大小和方向始终不变。这样处理尽管简单方便,但是不能反映斜拉索的几何非线性效应,并且随着荷载的改变,索力的大小和方向并不是始终不变的。正确的做法是考虑斜拉索的几何非线性效应,先假定一组初始索力以初应变的形式加到斜拉索上,加上恒载并计算,提取计算所得斜拉索索力并检查该索力与设计院提供的成桥索力的误差是否在允许的范围内,若误差过大,修改斜拉索初应变,再重新计算直至误差在允许的范围内,最后一次计算所用的一组斜拉索初应变乘以斜拉索考虑垂度效应修正后的弹性模量即为所要找的一组斜拉索初始索力。然而,斜拉桥,特别是本文提到的三索面特大跨度公铁两用斜拉桥是高次超静定柔性结构体系,各根索的索力相互影响,往往要反复调试很多次才能找到这一组斜拉索初始索力,并且每一次调试都要修改斜拉索初应变,比较繁琐、费时。作为大型通用有限元分析软件很难直接解决所有桥梁结构的专业问题,有时需要针对桥梁结构具体问题对它进行二次开发才能满足桥梁结构分析要求。本文利用ANSYS二次开发技术,开发了斜拉桥调索程序,并成功应用于三索面特大跨度公铁两用斜拉桥分析中,使得繁琐的调索过程在ANSYS中自动完成,计算所得成桥索力与设计院提供的成桥索力误差在0.5%以内。该程序的开发缩短了调索时间,大大提高了工作效率,并为以后其他斜拉桥的分析计算提供了方便,为以后类似问题的ANSYS二次开发提供了思路。1亚德斯图勒学院的第二次开发技术1.1uidl的程序ANSYS为用户进行程序界面设计提供了一种专用语言即UIDL(UserInterfaceDesignLanguage)。UIDL是一种程序化的语言,它允许用户改变ANSYS的图形用户界面(GUI)中的一些组项。UIDL提供了一种允许用户灵活使用、按个人喜好来组织设计ANSYS图形用户界面的强有力工具,它在ANSYS的命令重组、架设其他用户程序与ANSYS之间的桥梁方面起到不可低估的作用。1.2快速支持的新能自适应识别ANSYS参数化程序设计语言APDL是一种解释性语言,可以用来自动完成一些通用性强的任务,也可以根据参数建立模型。APDL扩展了ANSYS在传统有限元分析范围之外的能力,并扩充了更高级运算,包括灵敏度研究、零件库参数化建模、设计修改及设计优化。此外,APDL还包括其他许多特性,如重复某条命令、宏、IF条件语句、DO循环及标量、矢量和矩阵运算等。其中特别值得一提的就是用APDL作为命令式语言创建宏给用户带来了极大的方便。用户可以将经常使用的一些ANSYS命令组成一个宏,当用户执行该宏时,就相当于执行了那些ANSYS命令。宏中除了可以填写ANSYS命令外,还可以调用GUI函数,给变量赋值以及调用另一个宏。因此,宏的灵活运用会给用户在处理复杂问题时提供极大的方便。1.3基于程序的anasas技术用户可编程特性UPFS(UserProgrammableFeatures)是ANSYS作为开放结构、允许用户使用自己的FORTRAN程序的功能。利用ANSYS的用户可编程特性,用户可以将自己的FORTRAN程序和子过程连接到ANSYS,生成一个针对用户特定的ANSYS程序版本。UPFS允许用户根据需要定制ANSYS程序,例如,定义用户自己的材料性质、用户自己的单元类型、用户自己的失效准则等。还可以编写自己的优化设计算法,将整个ANSYS程序作为子过程来调用。实际上,在ANSYS中,用户使用的一些标准特性就来源于该项技术。此外,ANSYS还提供了大量的子程序源代码,用户可以根据自身需要进行适当的修改后选择调用。2根据斜拉桥的初始条件确定斜带的初始条件2.1拉索拉索有限元分析大跨度斜拉桥的几何非线性包括斜拉索的大位移效应、梁-柱效应和垂度效应。在荷载作用下,斜拉桥上部结构的几何位置变化显著,将平衡方程建立在变形后的位形上,考虑主梁和主塔的梁-柱效应,及结构的大位移效应。用等效弹性模量法考虑拉索的垂度效应,其表达式称为Ernst公式,即:Eeq=E01+γ2l212σ30E0Eeq=E01+γ2l212σ03E0式中:Eeq为Ernst修正弹性模量;E0为斜索钢材的弹性模量;γ为斜索的单位体积重量;σ0为恒载下的斜索应力;l为斜索的水平投影长度。2.2斜拉索力计算方法将成桥状态的给定索力作为一对荷载加到塔和梁上的做法并不能反映斜拉索的几何非线性效应。本文做法是假定设计院提供的斜拉索成桥索力为初始索力,考虑斜拉桥的几何非线性效应,反复计算并调整斜拉索的初始索力直至在恒载作用下计算所得斜拉索索力与设计院提供的成桥索力的相对误差在允许的范围内。具体步骤如下:1)输入桥梁结构的基本参数;2)假定设计院提供的斜拉索成桥索力{F}为初始索力{F0};3)采用NewtonRaphson方法进行结构的平衡迭代(包含结构大位移、梁柱效应及斜拉索垂度效应的影响),求出斜拉索索力{F1};4)检查∥{F}−{F1}{F}∥∥{F}-{F1}{F}∥是否小于允许值,如果是小于允许值,则打印计算结果,否则用{F0}+{F}-{F1}代替{F0},重复步骤3)、4),直至条件∥{F}−{F1}{F}∥∥{F}-{F1}{F}∥满足为止;5)打印{F0}。2.3初始索力求解针对所要解决的问题,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,将前面介绍的斜拉桥初始索力确定方法在ANSYS中实现。由于ANSYS不能直接输入初始索力,因此,初始索力按照考虑垂度效应Ernst修正弹性模量求出相应初应变,以初应变的形式加到斜拉索上,具体实现过程如下。1)建立有限元模型,定义荷载,加上边界条件。2)定义参数数组存储按照设计院提供索力换算得出的初应变{ε}。3)设置ANSYS求解参数以考虑斜拉桥的几何非线性(包含结构大位移、梁柱效应):ANTYPE,STATIC!进行静力分析NLGEOM,on!考虑大变形效应SSTIF,on!考虑应力刚化4)索力迭代:用*do-loop命令循环求解,每求解一次,提取索力,检查索力与设计院提供索力误差是否小于允许误差,如果不小于,把差值换算为应变{△ε},令{ε}={ε}+{△ε},继续计算,直至计算索力满足要求。程序如下:3初始索力的确定某拟建跨长江斜拉桥跨度为98+196+504+196+98m,双塔三索面三主桁,是国内第一座四线公铁两用斜拉桥,见图1。该桥3个索面使得拉索之间相互影响程度加大,按照以往手工调索,很难得到满意结果,而且,由于该桥结构复杂,有限元模型规模大,节点高达十几万,ANSYS完成一次计算需要几十分钟时间,人员必须留守,费时并且非常繁琐。按照本文提出的确定初始索力的方法,利用APDL二次开发语言很方便的使ANSYS自动完成该斜拉桥调索过程,方便、省时、精确度高。计