大跨度橋梁有限元分析

大跨度橋梁有限元分析

1.我國地震災(zāi)害的水平地震是一種重大的自然災(zāi)害。地震的發(fā)生往往會(huì)造成房屋倒塌、道路中斷、橋梁坍塌、人員傷亡等嚴(yán)重后果。次生破壞造成的經(jīng)濟(jì)損失更大。以目前的人類科技水平而言,地震是不能準(zhǔn)確預(yù)測和無法控制的;而地震的發(fā)生又是不可避免的,而我國又處于世界上兩個(gè)最活躍的地震帶上,一個(gè)是環(huán)太平洋地震帶(我國東部地區(qū));一個(gè)是歐亞地震帶(我國西部及西南部是其通過地區(qū)),因而我國是地震災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一。因此研究地震作用下橋梁結(jié)構(gòu)的反應(yīng)尤為重要。本文主要對(duì)大跨度橋梁有限元模擬中涉及的有限元基本概念和在SAP2000中如何實(shí)現(xiàn)大跨度橋梁的抗震分析進(jìn)行了總結(jié),著重于工程的實(shí)際可操作性和細(xì)節(jié)的處理,最后指出需要注意的問題。2.有限單元類型的形式和剛度矩陣目前,對(duì)于大跨度橋梁的分析,特別是抗震分析一般都是借助于有限元程序來完成的。有限元方法是利用電子計(jì)算機(jī)的一種數(shù)值分析方法。本部分主要是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)線性地震反應(yīng)計(jì)算中常用的有限單元類型的形式和剛度矩陣做一個(gè)簡單介紹。采用空間桿系有限元分析橋梁結(jié)構(gòu),一般采用彈簧單元模擬各種彈性連接裝置(土對(duì)樁基的彈性作用、塔梁之間的彈性約束等)采用桁架單元模擬纜索系統(tǒng)(斜拉索、主纜、吊桿等),采用梁單元模擬樁、墩柱和梁等受壓構(gòu)件,采用帶剛臂的單元模擬節(jié)點(diǎn)區(qū)域的連接(墩與系梁,塔與橫梁等之間的連接)。這些彈性約束、桁架單元、梁單元和帶剛臂的梁單元的平面自由度和單元連接形式分別見圖1,單元的剛度矩陣分別見公式1-4。3.建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)sap2000是由美國CSI公司開發(fā)研制的建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件,至今已有三十多年的發(fā)展歷史,是美國乃至全球公認(rèn)的建筑結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計(jì)軟件的業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)。SAP2000集成了荷載計(jì)算、靜動(dòng)力分析、線性和非線性計(jì)算等所有計(jì)算分析為一體,采用了先進(jìn)的計(jì)算分析技術(shù),計(jì)算快捷,分析結(jié)果合理可靠,其權(quán)威性和可靠性得到了國際上業(yè)界的一致肯定。下面詳細(xì)介紹適合抗震分析的斜拉橋有限元模型建立過程中遇到的主要問題及解決方案。3.1鋼箱梁截面特性的sys法大跨度斜拉橋一般采用鋼箱梁。鋼箱梁是橋梁工程中最復(fù)雜的截面形式之一,但是從抗震角度來講,可以將其簡化為一根具有指定面積,抗彎慣矩和抗扭慣矩的梁單元。該梁單元能夠反映實(shí)際鋼箱梁的質(zhì)量和剛度(抗彎慣矩和抗扭慣矩)。在實(shí)際工程應(yīng)用中,一般采用AutoCAD、ANSYS、Midas等常用軟件來計(jì)算復(fù)雜鋼箱梁的截面特性。由于Midas需要在提供的編輯器中從新定義坐標(biāo),顯得不方便;而AutoCAD雖然可以方便地利用現(xiàn)成的CAD圖來創(chuàng)建面域,通過查詢面域?qū)傩缘姆绞絹慝@取截面的截面特性,但是不能得到截面的抗扭慣矩。所以,比較方便的是采用ANSYS來計(jì)算截面特性。其方法是利用已有的CAD線框圖創(chuàng)建面域,另存為SAT格式,然后將其導(dǎo)入ANSYS中。只要CAD框圖按照實(shí)際尺寸精確繪制,在ANSYS中恰當(dāng)設(shè)置劃分單元的長度,即可方便準(zhǔn)確地得到滿足抗震計(jì)算的鋼箱梁截面特性。另一方面,抗震分析一般是在初步靜力設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上進(jìn)行,因而橋面系的一期恒載和二期恒載的線密度可以方便準(zhǔn)確地提供。所以在用SAP2000進(jìn)行抗震分析時(shí),通過Generalsection指定鋼箱梁的截面特性,然后采用等效密度方法(將恒載線密度除以鋼箱梁的面積)或施加線質(zhì)量的方法(鋼箱梁的密度設(shè)為零,其質(zhì)量完全由線密度指定)施加恒載質(zhì)量。在某些情況下,還應(yīng)該要考慮活載的影響,按照活載的一定比例折算成質(zhì)量施加在主梁上,比如我國《雙層高架橋梁抗震設(shè)計(jì)指南》中規(guī)定,在進(jìn)行橫橋方向分析時(shí),應(yīng)考慮輕軌車輛質(zhì)量的影響,車輛的質(zhì)量按50%考慮,作用于軌頂以上2m處。3.2單根桁架單元模型斜拉索由于自重會(huì)發(fā)生撓曲,產(chǎn)生垂度效應(yīng)。一般可以通過三種方式來考慮這種效應(yīng):多段索單元、多段桁架單元和Ernst等效彈性模量修正的單根桁架單元。采用多個(gè)索單元和桁架單元會(huì)出現(xiàn)較多的局部振形,干擾對(duì)控制振形的把握,一般不采用。工程中多采用Ernst等效彈性模量修正的單根桁架單元模型來模擬斜拉索,只輸入索的有效面積,考慮軸向剛度,不考慮抗彎和抗扭。同時(shí)采用等效密度法來考慮斜拉索的質(zhì)量。3.3變截面的處理塔和墩柱截面形式一般比較簡單,要注意空心段和實(shí)心段的劃分。比較特殊的情況是變截面的處理。對(duì)于變截面可以利用SAP2000中的變截面(Nonprismatic)單元功能,指定兩端的截面特性和兩端之間截面的變化規(guī)律,或者采用多段等截面近似。3.4主從約束實(shí)現(xiàn)形式SAP2000中的連接單元非常豐富,可以準(zhǔn)確模擬大跨度橋梁有限元模擬中存在的各種連接屬性,比如彈性約束(單向、多向非耦合、多向耦合)、主從約束、阻尼器(線性和非線性)、非線性摩擦支座等。下面重點(diǎn)介紹一下主從約束。把實(shí)際結(jié)構(gòu)離散為桿系,存在多處主從約束:墩梁處、斜拉索與主梁、墩柱與橫梁處、層臺(tái)與樁基礎(chǔ)處等等,詳見圖2。主從約束在SAP2000中有多種實(shí)現(xiàn)形式:1)Bodyconstraint;2)剛臂(無質(zhì)量,剛度比相鄰梁單元?jiǎng)偠却?-3倍的梁單元);3)Link單元中的沿某個(gè)方向功能。由于在實(shí)際建模過程中會(huì)出現(xiàn)一個(gè)點(diǎn)與另外多個(gè)點(diǎn)主從約束的情況,如圖2所示。圖2-c中沒有將墩底,承臺(tái)中心和樁頂?shù)乃悬c(diǎn)用一個(gè)主從來表示,而是采用一個(gè)剛臂連接兩個(gè)主從的形式,主要是考慮到提取群樁的合力的方便起見的。如果是多點(diǎn)相同,Bodyconstraint比較方便;如果多點(diǎn)不同,可視具體情況采用上述三種形式實(shí)現(xiàn)滿足實(shí)際情況的主從約束。4.主要結(jié)論和建議本文對(duì)采用有限元法分析大跨度橋梁抗震分析過程中,涉及的關(guān)鍵問題進(jìn)行了詳細(xì)介紹,得到的主要