基于ansys的懸索橋風穩(wěn)定性分析

基于ansys的懸索橋風穩(wěn)定性分析

中國的懸索橋歷史悠久。從公元前3年到17世紀，清朝的竹索橋已經(jīng)在中國首次建成。當時，其設計、設計和建造水平處于世界領先地位。新中國成立之初,中國經(jīng)濟的復蘇推動了橋梁工程的發(fā)展,當時共建成70余座懸索橋,但橋寬和跨徑均較小,設計荷載低,施工水平落后。2世紀80年代后期,中國經(jīng)濟飛速發(fā)展,橋梁設計與施工技術日新月異,懸索橋建設也掀開了新的篇章。從中國第1座大跨度現(xiàn)代懸索橋——1995年建成主跨452m的廣東汕頭海灣大橋,到世界第2跨徑大橋——200年竣工通車主跨1650m的舟山西堠門跨海大橋,只用了短短14年的時間?，F(xiàn)代橋梁正朝著跨徑更大、結構更輕巧、審美價值更高的方向發(fā)展。對于大跨度橋梁尤其是懸索橋,由于結構柔度大且在風作用下易產生較大變形,在復雜風環(huán)境中的抗風安全尤為重要,因此必須加大大跨徑橋梁抗風穩(wěn)定性的研究力度,確保結構的安全性和實用性。進行懸索橋抗風計算與分析,既可以確保自然風作用下結構的抗風安全,又可以為懸索橋的合理設計提供借鑒和參考,對于風環(huán)境相對復雜的地區(qū)尤其重要。關于懸索橋在風荷載作用下的抗風穩(wěn)定性分析,目前有2種方法被廣泛采用:第1種是采用較小的縮尺比制造懸索橋整體模型,通過風洞試驗考察模型整體的變形狀況、動力響應和極限風速,直接分析其抗風穩(wěn)定性;第2種是采用較大的縮尺比制造主梁節(jié)段模型,通過風洞試驗測量靜力六分力系數(shù)(若只研究最不利情況即風向與橋梁主軸正交時,可只測量三分力系數(shù)),再與數(shù)值模擬計算相結合分析橋梁的抗風穩(wěn)定性。在這2種方法中,第1種方法可以比較全面地反映結構在風荷載作用下的位移與變形、動力響應特點及幾何非線性變化,但對于大跨徑懸索橋而言,由于模型尺寸過大,對風洞橫截面尺寸的要求提高,模型定制和試驗費用較高,經(jīng)濟性較差,而且較小的縮尺比會影響模型的定制精度,進而影響試驗結果的精度;第2種方法采用比例較大的節(jié)段模型,能夠較為精確地測量結構承受的風荷載,采集到的靜力系數(shù)也較客觀地反映了結構在風荷載作用下的受力狀況,而且數(shù)值模擬計算具有較好的精度,便于進行抗風性能的研究。1基于anasas的懸索橋抗風穩(wěn)定性研究本文以一中等跨徑的懸索橋抗風穩(wěn)定性計算為實例,介紹懸索橋在靜風荷載作用下的力學分析方法?？紤]到風洞的實際尺寸和全模型試驗的精度,決定采用節(jié)段模型試驗和大型有限元程序ANSYS對懸索橋進行抗風穩(wěn)定性研究。該懸索橋位于低山丘陵地帶,地處我國的強風區(qū)——新疆北部,且結構輕柔,因而對抗風設計提出了更高的要求。橋寬4m,中跨跨徑278m,邊跨跨徑84.5m,主塔高30.17m,主梁設計基準風速為30m/s,懸索橋總體布置如圖1所示。2主梁橋塔和主纜連接采用ANSYS程序建模時,首先對懸索橋進行結構離散化處理,采用的單元類型如表1所示;除主纜和吊桿的彈性模量取2.0×105MPa,其余單元的彈性模量均為2.1×105MPa;建模時考慮索初始軸力對幾何剛度的影響,對結構進行適當簡化,如圖2和圖3所示。計算時考慮幾何非線性,主梁和橋塔連接處允許順橋向平動和橫橋向轉動,塔底和邊跨主纜錨固處均為固結約束,對主梁、塔和主纜的每個結點加阻力、升力和扭轉力矩,方向和數(shù)值見圖3和式(1)—(4)。只對中跨梁段進行計算分析,并考慮橋塔變位對主梁的影響,風向按最不利狀況取橫橋向垂直作用于主梁,風速沿高度的變化按風剖面冪指數(shù)規(guī)律計算,計算見式(5)。3動風動風系統(tǒng)由實地測量可知,風包括水平方向的靜風以及3個互相垂直方向上的脈動風(又稱風振),其中脈動風主要引起結構的動力效應,如抖振、顫振、渦激共振等。本文研究的是橋梁在靜風荷載作用下的位移和失穩(wěn)臨界風速,所以只考慮水平方向的靜風荷載,計算過程如下所述。3.1預應力和升力考慮最不利狀況,將風荷載垂直作用于主梁的迎風面上,即風向為橫橋向,α為風攻角,取值為-15°~15°。風荷載在3個垂直方向上有3個分量,分別為阻力、升力和扭轉力矩。阻力和升力分別是由橋梁前后和上下斷面表面上的壓強差和摩阻引起,扭轉力矩是由阻力和升力的合力與截面扭轉中心不一致引起。單位長度上的風荷載可用式(1)—(3)計算,加載在體軸坐標系中主梁各節(jié)點上,正負號規(guī)定如圖3所示。式中:FH,FV,M分別為作用在主梁單位長度上的阻力、升力和扭轉力矩;ρ為空氣密度,取1.25kg/m3;Vg為陣風風速;H,B分別為主梁投影高度和寬度;CH,CV,CM分別為靜力三分力試驗所得的無量綱主梁阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭轉力矩系數(shù),用來描述特定截面形狀下靜風荷載的特征。3.2纜、吊桿基準風速根據(jù)文獻中4.4.1的規(guī)定,橋塔、主纜和吊桿的靜風荷載按下式計算:式中:CH為橋塔、主纜和吊桿的阻力系數(shù),本計算中橋塔的CH取0.6,主纜和吊桿的CH均取0.7;An為橋梁各構件的阻風面積;V′為橋塔、主纜和吊桿的設計基準風速,根據(jù)文獻中3.2.1的規(guī)定,風速沿豎直方向上的分布可按下式計算:式中:Z′為橋塔、主纜和吊桿的基準高度;K1為各構件對主梁設計基準風速的風速變化修正系數(shù);V為主梁的設計基準風速;Z為主梁的基準高度;α為地表粗糙度系數(shù),考慮該橋周圍均是低層建筑物,地表類別為C類,取0.22。各構件的設計基準風速與風速變化修正系數(shù)如表2所示。4靜力結構響應靜力評價計算流程本算例采用的非線性靜風穩(wěn)定分析方法是增量法與雙重迭代法相結合的方法。增量法是指給出一個較低的初始風速并進行程序計算、收集數(shù)據(jù),接著將風速按一定數(shù)值增加(本算例為10m/s)并再次進行同樣的計算,直至結構由于風速過大而破壞;雙重迭代法包括內部迭代和外部迭代,其中內部迭代是指在給定風速下進行結構計算時考慮幾何非線性,外部迭代是指在下級風荷載加載前先調整主梁的姿態(tài)角,使結構在加載前處于平衡狀態(tài)。在主梁不斷調整姿態(tài)角的過程中,風荷載的3個分量(即阻力、升力和扭轉力矩)也要隨之調整,把節(jié)段模型試驗得出的靜力三分力系數(shù)輸入程序,并根據(jù)參量分析調整靜力三分力。在此基礎上,設計低松弛迭代法的計算流程以實現(xiàn)加速收斂,根據(jù)圖4進行靜力有限元計算分析。具體計算時,按以下步驟實現(xiàn)增量法與雙重迭代法的結合。1)計算結構在自重荷載作用下的位移,考慮幾何非線性。2)給定初始風速U0和風速步長ΔU,當前風速Ui=U0(為降低計算的復雜性,并使結果具有代表性,可設U0=10m/s,ΔU=10m/s)。3)提取主梁姿態(tài)角{γ}0,并形成初始風荷載加載面風攻角向量{α}0={α10α20…αn0}T={00…0}T和風攻角增量向量{Δα}0={Δα10Δα20…Δαn0}T={00…0}T,以確定全橋靜力三分力分布。4)采用FullNewton-RaphsonMethod方法進行幾何非線性求解,得到收斂解(內部迭代)。5)提取主梁風攻角向量{α}1={α11α21…αn1}T,由本級與上級風攻角向量的差值可求出風攻角增量向量{Δα}1={Δα11Δα21…Δαn1}T。其中,Δαn1=αn1-αn0-ΨΔαn0。Ψ為松弛因子,可根據(jù)具體情況取值,本文取0.5。6)從各節(jié)點風攻角增量尋找最大值,并判斷是否小于收斂范數(shù)(本算例取0.005°)。7)若最大風攻角增量大于收斂范數(shù),說明結果不收斂,則依據(jù)主梁姿態(tài)角修正三分力系數(shù),調整主梁受到的三分力,重復步驟4)—5),三分力系數(shù)修正的風攻角向量按下式取值:{α}n={α}n-1+Ψ{Δα}n。若達到預設迭代次數(shù)仍不收斂,說明本級風速過大,超出結構承載力,計算結果發(fā)散,需要將本級風速減小一半步長,返回步驟3)重新計算。8)若最大風攻角增量小于收斂范數(shù),說明本級風速計算結果收斂,輸出計算結果。在下一級風速計算時增加一個風速步長。9)繪制結構風速-位移變化圖,并確定橫向屈曲最大風速。采用低松弛迭代法進行橋梁非線性計算,大大減少了計算收斂速度,對于單元數(shù)量多、結構復雜的懸索橋結構有較高的實用性。5計算中主要考慮因素的計算抗風設計中最關心的是主梁的順風向位移和臨界風速,因此在懸索橋的靜風計算中主要考慮這2個方面。計算可得橋梁各構件位移隨風速的變化,如圖5所示,各構件位移隨風速的增大而增大,直到風速達到65m/s時,由于靜風失穩(wěn)導致主纜和主梁的位移趨于無窮大,結構最終失穩(wěn)破壞。6懸索橋靜風穩(wěn)定性由于懸索橋結構剛度相對較小,在風荷載作用下位移大,結構易發(fā)生失穩(wěn)破壞,尤其是在西部風環(huán)境相對復雜的地區(qū),應對其進行抗風穩(wěn)定性計算。本文詳細介紹了靜風荷載的數(shù)值模擬方法,給出了懸索橋在