斜拉桥有限元模拟.docx
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斜拉桥有限元模拟
一.工程概况
1.桥型:
三塔四跨分离式双主梁斜拉桥
2.跨径:
两主跨跨径1500m,两边跨分别设置两个过渡墩,跨径408+244=652m
3.桥宽:
60.5m
4.主梁:
分离式双主梁,单根主梁宽23.25m
4.桥塔:
中塔为空间钻石型造型,塔高460m,分叉点距塔顶121m,分叉点距桥面239m,分叉点距塔身连接横梁250m,塔身连接横梁距塔底89m,横梁纵桥向长64m,横桥向长71m,塔底塔柱横桥向间距32m,纵桥向间距40m;边塔为平面钻石型造型,塔高386m,分叉点距塔顶101m,分叉点距桥面204m,分叉点距塔身连接横梁215m,塔身连接横梁距塔底70m,连接横梁横桥向长54.3m,塔底两塔柱横桥向间距40m。
7.塔底距桥面距离:
此处考虑纵坡影响,假设塔底同一水平线上,中塔处桥面距塔底,边塔处桥面距塔底,第一过渡墩处桥面距塔底,第二过渡墩处桥面距塔底。
8.拉索:
边跨有两种索距,分别为12m和16m,652m=8×2(两端距离)+12×13(14根间距为12m的拉索)+16×30(30根间距为16m的拉索),一幅边跨共计44根拉索,编号A0-A43;主跨只有16m一种索距,1500m=8×2(两端距离)+16×43(44根间距为16m的拉索,锚于边塔上,编号J0-J43)+12+16×49(50根间距为16m的拉索,锚于主塔上,编号Z0-1,Z0-2,Z1-Z48)。
9.梁间横梁:
主梁间横梁布置与与拉索布置方式相对应。
10.约束条件:
左桥端第一及第二过渡墩仅给予主梁竖向及横向的平移自由度约束,右桥端第一及第二过渡墩处仅给予主梁竖向的及横向的平移自由度约束;边塔处刚横梁仅给予主梁横向和竖向约束,中塔处刚横梁给予主梁横向、纵向及竖向约束;索塔底部完全固结,索单元和梁单元给予全铰约束;
10.材料:
1.主梁:
2.刚性鱼刺横梁和主塔连接横梁:
3.斜拉索:
3.索塔:
11.目标任务:
利用大型有限元软件ANSYS建立斜拉桥全桥模型,分析重力作用下的结构响应并对结构进行动力特性分析,比较是否考虑几何非线性(P-△效应及大位移)对结果的影响。
建模过程中,主梁及主塔使用BEAM4单元模拟,拉索使用LINK180单元模拟。
12.斜拉桥非线性的主要影响因素
13.利用ANSYS进行斜拉桥建模步骤
斜拉桥设计,施工过程中,结构分析一般需考虑几何非线性,如:
斜拉桥垂度效应,大位移效应以及梁塔的组合效应,
二.建模过程
2.1截面几何特性计算
2.1.1主梁截面简化及计算
主梁采用空间鱼刺双梁模型,使用BEAM4单元建模,所有截面几何特性以及质量集中于两根纵梁上,纵梁取标准断面,建模时节点建于截面形心处;横梁取真实横梁截面,鱼骨梁相对为刚性构件,无质量,只起传递力流的作用,截面可随意指定。
图2.1主梁标准断面简化图(顶板30mm,底板24mm)
图2.2横梁标准断面图(顶底板及腹板14mm,加劲肋10mm)
表2.1纵梁及横梁截面几何特性表格(m)
面积
Ix
Iy
Cx(+)
Cx(-)
Cy(+)
Cy(-)
J
主梁
1.67
6.18
76.11
12.13
11.13
1.60
3.43
9.18
横梁
0.27
0.99
0.51
1.61
1.61
2.51
2.51
0.87
鱼骨梁
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
1/3
2.1.2主塔截面简化及计算
(1)中塔截面简化
图2.3中塔锚索段标准断面图(顶底板及腹板14mm,加劲肋10mm)
上述四个截面分别记做ZMSD-1,ZMSD-2,ZMSD-3,ZMSD-4。
图2.4中塔上塔柱图2.5中塔下塔柱(钢混组合截面)图2.6中塔横梁截面
上述三个截面分别记做ZSTZ,ZXTZ,ZHL
(2)边塔截面简化
图2.7边塔锚索段标准断面图(顶底板及腹板14mm,加劲肋10mm)
上述四个截面分别记做BMSD-1,BMSD-2,BMSD-3,BMSD-4。
图2.8边塔上塔柱图2.9边塔下塔柱(钢混组合截面)图2.10边塔横梁截面
上述三个截面分别记做BSTZ,BXTZ,BHL
2.2拉索初始应变计算及弹模修正值计算
不考虑几何非线性进行静力分析时,可不考虑垂度效应,即拉索弹模不需进行修正;考虑非线性进行静力分析时,需考虑垂度效应,此时斜拉桥的拉索模拟采用等效弹性模量法。
等效弹性模量方法用直弦杆代替实际的曲线索,直弦杆的弹性模量为考虑垂度变化影响的有效弹性模量。
等效弹性模量计算如下:
式中:
Eeff——拉索等效弹模;
E——拉索材料有效模量;
T——拉索初张力;
l——拉索水平投影长度;
w——拉索单位长度重量;
A——拉索横截面面积;
考虑垂度效应的拉索弹模修正计算见下表。
表2.3拉索成桥状态拉索应变及弹模修正计算
编号
索力T(N)
规格(PES7-)
面积A(mm2)
应力(MPa)
应变
索长
投影(m)
单位长度拉索重量(kg/m)
弹性模量(MPa)
修正弹性模量
(MPa)
A43
7909000
283
10885.6
727
0.0038
644
84.9
1.90E+05
172721
A42
7800000
283
10885.6
717
0.0038
632
84.9
1.90E+05
172658
A41
8459000
283
10885.6
777
0.0041
620
84.9
1.90E+05
176615
A40
9094200
301
11578.0
785
0.0041
608
90.3
1.90E+05
177475
A39
8958600
301
11578.0
774
0.0041
596
90.3
1.90E+05
177414
A38
9556950
313
12039.5
794
0.0042
584
93.9
1.90E+05
178725
A37
9406800
301
11578.0
812
0.0043
572
90.3
1.90E+05
179850
A36
9255350
301
11578.0
799
0.0042
560
90.3
1.90E+05
179789
A35
9452025
301
11578.0
816
0.0043
548
90.3
1.90E+05
180770
A34
9291375
301
11578.0
803
0.0042
536
90.3
1.90E+05
180707
A33
9128700
283
10885.6
839
0.0044
524
84.9
1.90E+05
182154
A32
9296000
283
10885.6
854
0.0045
512
84.9
1.90E+05
182878
A31
9384600
283
10885.6
862
0.0045
500
84.9
1.90E+05
183381
A30
9205800
283
10885.6
846
0.0045
488
84.9
1.90E+05
183322
A29
8273100
265
10193.2
812
0.0043
472
79.5
1.90E+05
182947
A28
7369000
241
9270.1
795
0.0042
456
72.3
1.90E+05
182992
A27
6013000
199
7654.5
786
0.0041
440
59.7
1.90E+05
183230
A26
5884500
199
7654.5
769
0.0040
424
59.7
1.90E+05
183290
A25
5754500
199
7654.5
752
0.0040
408
59.7
1.90E+05
183354
编号
索力T(N)
规格(PES7-)
面积A(mm2)
应力(MPa)
应变
索长
投影(m)
单位长度拉索重量(kg/m)
弹性模量(MPa)
修正弹性模量
(MPa)
A24
5624000
199
7654.5
735
0.0039
392
59.7
1.90E+05
183425
A23
6590400
223
8577.7
768
0.0040
376
66.9
1.90E+05
184674
A22
6968000
241
9270.1
752
0.0040
360
72.3
1.90E+05
184783
A21
6795100
241
9270.1
733
0.0039
344
72.3
1.90E+05
184861
A20
7130900
241
9270.1
769
0.0040
328
72.3
1.90E+05
185934
A19
7439600
253
9731.6
764
0.0040
312
75.9
1.90E+05
186246
A18
7238700
241
9270.1
781
0.0041
296
72.3
1.90E+05
186820
A17
6535750
223
8577.7
762
0.0040
280
66.9
1.90E+05
186935
A16
6349850
211
8116.1
782
0.0041
264
63.3
1.90E+05
187476
A15
6165250
199
7654.5
805
0.0042
248
59.7
1.90E+05
187953
A14
5982600
199
7654.5
782
0.0041
232
59.7
1.90E+05
188039
A13
5801900
199
7654.5
758
0.0040
216
59.7
1.90E+05
188135
A12
5624450
199
7654.5
735
0.0039
200
59.7
1.90E+05
188244
A11
5450900
199
7654.5
712
0.0037
184
59.7
1.90E+05
188366
A10
5281900
199
7654.5
690
0.0036
168
59.7
1.90E+05
188502
A9
5119400
211
8116.1
631
0.0033
152
63.3
1.90E+05
188395
A8
4964700
211
8116.1
612
0.0032
136
63.3
1.90E+05
188590
A7
3706500
187
7193.0
515
0.0027
120
56.1
1.90E+05
188168
A6
3602500
187
7193.0
501
0.0026
104
56.1
1.90E+05
188499
A5
3274000
187
7193.0
455
0.0024
88
56.1
1.90E+05
188567
A4
3197000
187
7193.0
444
0.0023
72
56.1
1.90E+05
188968
A3
3131500
187
7193.0
435
0.0023
56
56.1
1.90E+05
189334
A2
3026500
199
7654.5
395
0.0021
40
59.7
1.90E+05
189546
A1
3044500
187
7193.0
423
0.0022
24
56.1
1.90E+05
189867
A0
3080500
187
7193.0
428
0.0023
8
56.1
1.90E+05
189986
J0
2378000
187
7193.0
331
0.0017
8
56.1
1.90E+05
189969
J1
2392000
187
7193.0
333
0.0018
24
56.1
1.90E+05
189725
J2
2420500
199
7654.5
316
0.0017
40
59.7
1.90E+05
189115
J3
2460500
187
7193.0
342
0.0018
56
56.1
1.90E+05
188633
J4
2512000
187
7193.0
349
0.0018
72
56.1
1.90E+05
187884
J5
2572500
187
7193.0
358
0.0019
88
56.1
1.90E+05
187070
J6
2641500
187
7193.0
367
0.0019
104
56.1
1.90E+05
186237
J7
2718000
187
7193.0
378
0.0020
120
56.1
1.90E+05
185422
J8
2800500
187
7193.0
389
0.0020
136
56.1
1.90E+05
184646
J9
2888000
187
7193.0
402
0.0021
152
56.1
1.90E+05
183926
J10
2979500
187
7193.0
414
0.0022
168
56.1
1.90E+05
183267
编号
索力T(N)
规格(PES7-)
面积A(mm2)
应力(MPa)
应变
索长
投影(m)
单位长度拉索重量(kg/m)
弹性模量(MPa)
修正弹性模量
(MPa)
J11
3075000
199
7654.5
402
0.0021
184
59.7
1.90E+05
181243
J12
3173000
199
7654.5
415
0.0022
200
59.7
1.90E+05
180616
J13
3273000
199
7654.5
428
0.0023
216
59.7
1.90E+05
180058
J14
3375000
199
7654.5
441
0.0023
232
59.7
1.90E+05
179568
J15
3478000
199
7654.5
454
0.0024
248
59.7
1.90E+05
179134
J16
3582000
199
7654.5
468
0.0025
264
59.7
1.90E+05
178753
J17
3686500
199
7654.5
482
0.0025
280
59.7
1.90E+05
178416
J18
3792000
199
7654.5
495
0.0026
296
59.7
1.90E+05
178124
J19
3897000
199
7654.5
509
0.0027
312
59.7
1.90E+05
177861
J20
4002000
199
7654.5
523
0.0028
328
59.7
1.90E+05
177629
J21
4107000
211
8116.1
506
0.0027
344
63.3
1.90E+05
175198
J22
4211500
211
8116.1
519
0.0027
360
63.3
1.90E+05
174984
J23
4707500
241
9270.1
508
0.0027
376
72.3
1.90E+05
172747
J24
4820500
241
9270.1
520
0.0027
392
72.3
1.90E+05
172554
J25
4932500
241
9270.1
532
0.0028
408
72.3
1.90E+05
172378
J26
5044000
241
9270.1
544
0.0029
424
72.3
1.90E+05
172219
J27
5154000
241
9270.1
556
0.0029
440
72.3
1.90E+05
172068
J28
5669400
265
10193.2
556
0.0029
456
79.5
1.90E+05
170893
J29
5669400
265
10193.2
556
0.0029
472
79.5
1.90E+05
169675
J30
5934000
265
10193.2
582
0.0031
488
79.5
1.90E+05
170914
J31
6049800
265
10193.2
594
0.0031
504
79.5
1.90E+05
170801
J32
6163800
265
10193.2
605
0.0032
520
79.5
1.90E+05
170689
J33
6955200
301
11578.0
601
0.0032
536
90.3
1.90E+05
169249
J34
7078800
313
12039.5
588
0.0031
552
93.9
1.90E+05
166859
J35
6601650
301
11578.0
570
0.0030
568
90.3
1.90E+05
163651
J36
7048250
301
11578.0
609
0.0032
584
90.3
1.90E+05
166687
J37
6512500
283
10885.6
598
0.0031
600
84.9
1.90E+05
164426
J38
6616000
283
10885.6
608
0.0032
616
84.9
1.90E+05
164308
J39
6383050
283
10885.6
586
0.0031
632
84.9
1.90E+05
160570
J40
6479475
283
10885.6
595
0.0031
648
84.9
1.90E+05
160445
J41
6574475
283
10885.6
604
0.0032
664
84.9
1.90E+05
160317
J42
6318000
283
10885.6
580
0.0031
680
84.9
1.90E+05
155891
J43
6406200
301
11578.0
553
0.0029
696
90.3
1.90E+05
150250
Z48
6750000
283
10885.6
620
0.0033
792
84.9
1.90E+05
152808
Z47
6750000
301
11578.0
583
0.0031
776
90.3
1.90E+05
148305
Z46
7275000
301
11578.0
628
0.0033
760
90.3
1.90E+05
156328
编号
索力T(N)
规格(PES7-)
面积A(mm2)
应力(MPa)
应变
索长
投影(m)
单位长度拉索重量(kg/m)
弹性模量(MPa)
修正弹性模量
(MPa)
Z45
7203000
301
11578.0
622
0.0033
744
90.3
1.90E+05
156678
Z44
7203000
301
11578.0
622
0.0033
728
90.3
1.90E+05
157856
Z43
7203000
301
11578.0
622
0.0033
712
90.3
1.90E+05
159026
Z42
7203000
301
11578.0
622
0.0033
696
90.3
1.90E+05
160186
Z41
7103500
283
10885.6
653
0.0034
680
84.9
1.90E+05
164652
Z40
7003000
283
10885.6
643
0.0034
664
84.9
1.90E+05
164759
Z39
6901500
265
10193.2
677
0.0036
648
79.5
1.90E+05
168865
Z38
6799000
265
10193.2
667
0.0035
632
79.5
1.90E+05
168961
Z37
6695000
265
10193.2
657
0.0035
616
79.5
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