斜拉橋極限承載力分析中調(diào)索程序的開發(fā)

斜拉橋極限承載力分析中調(diào)索程序的開發(fā)

在分析斜拉橋的有限載荷時，首先需要提供一組初始重力，以便計(jì)算橋的穩(wěn)定狀態(tài)下的重力，這與設(shè)計(jì)公司提供的一致。而要找到這一組斜拉索初始索力是一個非常繁瑣的過程。文獻(xiàn)將成橋狀態(tài)給定的索力作為一對荷載加到塔和梁上,其大小和方向始終不變。這樣處理盡管簡單方便,但是不能反映斜拉索的幾何非線性效應(yīng),并且隨著荷載的改變,索力的大小和方向并不是始終不變的。正確的做法是考慮斜拉索的幾何非線性效應(yīng),先假定一組初始索力以初應(yīng)變的形式加到斜拉索上,加上恒載并計(jì)算,提取計(jì)算所得斜拉索索力并檢查該索力與設(shè)計(jì)院提供的成橋索力的誤差是否在允許的范圍內(nèi),若誤差過大,修改斜拉索初應(yīng)變,再重新計(jì)算直至誤差在允許的范圍內(nèi),最后一次計(jì)算所用的一組斜拉索初應(yīng)變乘以斜拉索考慮垂度效應(yīng)修正后的彈性模量即為所要找的一組斜拉索初始索力。然而,斜拉橋,特別是本文提到的三索面特大跨度公鐵兩用斜拉橋是高次超靜定柔性結(jié)構(gòu)體系,各根索的索力相互影響,往往要反復(fù)調(diào)試很多次才能找到這一組斜拉索初始索力,并且每一次調(diào)試都要修改斜拉索初應(yīng)變,比較繁瑣、費(fèi)時。作為大型通用有限元分析軟件很難直接解決所有橋梁結(jié)構(gòu)的專業(yè)問題,有時需要針對橋梁結(jié)構(gòu)具體問題對它進(jìn)行二次開發(fā)才能滿足橋梁結(jié)構(gòu)分析要求。本文利用ANSYS二次開發(fā)技術(shù),開發(fā)了斜拉橋調(diào)索程序,并成功應(yīng)用于三索面特大跨度公鐵兩用斜拉橋分析中,使得繁瑣的調(diào)索過程在ANSYS中自動完成,計(jì)算所得成橋索力與設(shè)計(jì)院提供的成橋索力誤差在0.5%以內(nèi)。該程序的開發(fā)縮短了調(diào)索時間,大大提高了工作效率,并為以后其他斜拉橋的分析計(jì)算提供了方便,為以后類似問題的ANSYS二次開發(fā)提供了思路。1亞德斯圖勒學(xué)院的第二次開發(fā)技術(shù)1.1uidl的程序ANSYS為用戶進(jìn)行程序界面設(shè)計(jì)提供了一種專用語言即UIDL(UserInterfaceDesignLanguage)。UIDL是一種程序化的語言,它允許用戶改變ANSYS的圖形用戶界面(GUI)中的一些組項(xiàng)。UIDL提供了一種允許用戶靈活使用、按個人喜好來組織設(shè)計(jì)ANSYS圖形用戶界面的強(qiáng)有力工具,它在ANSYS的命令重組、架設(shè)其他用戶程序與ANSYS之間的橋梁方面起到不可低估的作用。1.2快速支持的新能自適應(yīng)識別ANSYS參數(shù)化程序設(shè)計(jì)語言APDL是一種解釋性語言,可以用來自動完成一些通用性強(qiáng)的任務(wù),也可以根據(jù)參數(shù)建立模型。APDL擴(kuò)展了ANSYS在傳統(tǒng)有限元分析范圍之外的能力,并擴(kuò)充了更高級運(yùn)算,包括靈敏度研究、零件庫參數(shù)化建模、設(shè)計(jì)修改及設(shè)計(jì)優(yōu)化。此外,APDL還包括其他許多特性,如重復(fù)某條命令、宏、IF條件語句、DO循環(huán)及標(biāo)量、矢量和矩陣運(yùn)算等。其中特別值得一提的就是用APDL作為命令式語言創(chuàng)建宏給用戶帶來了極大的方便。用戶可以將經(jīng)常使用的一些ANSYS命令組成一個宏,當(dāng)用戶執(zhí)行該宏時,就相當(dāng)于執(zhí)行了那些ANSYS命令。宏中除了可以填寫ANSYS命令外,還可以調(diào)用GUI函數(shù),給變量賦值以及調(diào)用另一個宏。因此,宏的靈活運(yùn)用會給用戶在處理復(fù)雜問題時提供極大的方便。1.3基于程序的anasas技術(shù)用戶可編程特性UPFS(UserProgrammableFeatures)是ANSYS作為開放結(jié)構(gòu)、允許用戶使用自己的FORTRAN程序的功能。利用ANSYS的用戶可編程特性,用戶可以將自己的FORTRAN程序和子過程連接到ANSYS,生成一個針對用戶特定的ANSYS程序版本。UPFS允許用戶根據(jù)需要定制ANSYS程序,例如,定義用戶自己的材料性質(zhì)、用戶自己的單元類型、用戶自己的失效準(zhǔn)則等。還可以編寫自己的優(yōu)化設(shè)計(jì)算法,將整個ANSYS程序作為子過程來調(diào)用。實(shí)際上,在ANSYS中,用戶使用的一些標(biāo)準(zhǔn)特性就來源于該項(xiàng)技術(shù)。此外,ANSYS還提供了大量的子程序源代碼,用戶可以根據(jù)自身需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷暮筮x擇調(diào)用。2根據(jù)斜拉橋的初始條件確定斜帶的初始條件2.1拉索拉索有限元分析大跨度斜拉橋的幾何非線性包括斜拉索的大位移效應(yīng)、梁-柱效應(yīng)和垂度效應(yīng)。在荷載作用下,斜拉橋上部結(jié)構(gòu)的幾何位置變化顯著,將平衡方程建立在變形后的位形上,考慮主梁和主塔的梁-柱效應(yīng),及結(jié)構(gòu)的大位移效應(yīng)。用等效彈性模量法考慮拉索的垂度效應(yīng),其表達(dá)式稱為Ernst公式,即:Eeq=E01+γ2l212σ30E0Eeq=E01+γ2l212σ03E0式中:Eeq為Ernst修正彈性模量;E0為斜索鋼材的彈性模量;γ為斜索的單位體積重量;σ0為恒載下的斜索應(yīng)力;l為斜索的水平投影長度。2.2斜拉索力計(jì)算方法將成橋狀態(tài)的給定索力作為一對荷載加到塔和梁上的做法并不能反映斜拉索的幾何非線性效應(yīng)。本文做法是假定設(shè)計(jì)院提供的斜拉索成橋索力為初始索力,考慮斜拉橋的幾何非線性效應(yīng),反復(fù)計(jì)算并調(diào)整斜拉索的初始索力直至在恒載作用下計(jì)算所得斜拉索索力與設(shè)計(jì)院提供的成橋索力的相對誤差在允許的范圍內(nèi)。具體步驟如下:1)輸入橋梁結(jié)構(gòu)的基本參數(shù);2)假定設(shè)計(jì)院提供的斜拉索成橋索力{F}為初始索力{F0};3)采用NewtonRaphson方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的平衡迭代(包含結(jié)構(gòu)大位移、梁柱效應(yīng)及斜拉索垂度效應(yīng)的影響),求出斜拉索索力{F1};4)檢查∥{F}?{F1}{F}∥∥{F}-{F1}{F}∥是否小于允許值,如果是小于允許值,則打印計(jì)算結(jié)果,否則用{F0}+{F}-{F1}代替{F0},重復(fù)步驟3)、4),直至條件∥{F}?{F1}{F}∥∥{F}-{F1}{F}∥滿足為止;5)打印{F0}。2.3初始索力求解針對所要解決的問題,用戶可以選擇相應(yīng)的二次開發(fā)技術(shù)對ANSYS進(jìn)行二次開發(fā)。本文主要利用ANSYS提供的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言APDL二次開發(fā)技術(shù),將前面介紹的斜拉橋初始索力確定方法在ANSYS中實(shí)現(xiàn)。由于ANSYS不能直接輸入初始索力,因此,初始索力按照考慮垂度效應(yīng)Ernst修正彈性模量求出相應(yīng)初應(yīng)變,以初應(yīng)變的形式加到斜拉索上,具體實(shí)現(xiàn)過程如下。1)建立有限元模型,定義荷載,加上邊界條件。2)定義參數(shù)數(shù)組存儲按照設(shè)計(jì)院提供索力換算得出的初應(yīng)變{ε}。3)設(shè)置ANSYS求解參數(shù)以考慮斜拉橋的幾何非線性(包含結(jié)構(gòu)大位移、梁柱效應(yīng)):ANTYPE,STATIC!進(jìn)行靜力分析NLGEOM,on!考慮大變形效應(yīng)SSTIF,on!考慮應(yīng)力剛化4)索力迭代:用*do-loop命令循環(huán)求解,每求解一次,提取索力,檢查索力與設(shè)計(jì)院提供索力誤差是否小于允許誤差,如果不小于,把差值換算為應(yīng)變{△ε},令{ε}={ε}+{△ε},繼續(xù)計(jì)算,直至計(jì)算索力滿足要求。程序如下:3初始索力的確定某擬建跨長江斜拉橋跨度為98+196+504+196+98m,雙塔三索面三主桁,是國內(nèi)第一座四線公鐵兩用斜拉橋,見圖1。該橋3個索面使得拉索之間相互影響程度加大,按照以往手工調(diào)索,很難得到滿意結(jié)果,而且,由于該橋結(jié)構(gòu)復(fù)雜,有限元模型規(guī)模大,節(jié)點(diǎn)高達(dá)十幾萬,ANSYS完成一次計(jì)算需要幾十分鐘時間,人員必須留守,費(fèi)時并且非常繁瑣。按照本文提出的確定初始索力的方法,利用APDL二次開發(fā)語言很方便的使ANSYS自動完成該斜拉橋調(diào)索過程,方便、省時、精確度高。計(jì)