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1、用APDL对悬索桥结构进行有限元分析:为实现大跨桥梁体系的结构分析，验证APDL在分析中的高效 性，应用ANSYS的APDL建立大跨悬索桥存限元模型.选用合适的求解器， 重点分析结构在活载下的响应，同时计算出恒载?风载?温度及基础位 移工况下所产生的各控制截面内力及应力分布.计算结果表明，该方法 能有效实现悬索桥等复杂结构的内力计算，并满足工程实践要求，方便 设计方案更改后的结构重新分析.己关键词：悬索桥；APDL;结构分析；影响线；ANSYS :TU413. 62; TU432; TB115; 0241.82 AFinite element analysis on structure of
2、suspension bridgewith APDLHE Ruili, ZHENG BailinWU Xiugen, HE Pengfei (Institute of Applied Mechanics, Tongji Univ.,Shanghai200092,China)Abstract:To implement the structural analysis on long-spanbridges and prove the efficiency of APDL of ANSYS, a finiteelement model of a suspension bridge is establ
3、ished with APDL.By using suitable solver, inner forces and stress distributionof controlling sections are obtained under different loadcases, including dead load, wind, temperature and foundationdisplacements. And live loads arc put on emphasis. The resultsindicate that this method is effective in s
4、tructural analysison complicated structures and meets the practicalrequirements, which brings convenience for re-analysis on thestructure after modification of the original design.Key words:suspension bridge: APDL; structural analysis;influence line; ANSYS0引言根据我国大桥建设长期积累的经验，1套与我国管理体制相适应 的严密有序的工作程序1己
5、经形成.它分为前期工作及设计阶段:前 期工作包括编制预可行性研究报告和可行性研究报告；设计阶段按“3 阶段设计”进行，即初步设计?技术设计与施工设计.其中，在设计阶段 耗时最多的是结构尺寸拟定后的结构内力分析.对于简支梁和连续梁等静定结构或超静定次数较低的情况，传统 的设计大都采用手算完成.随着近年来大量大型桥梁的建立，传统方法 已基本不能实现.例如，大跨径桥梁中应用较广的斜拉桥和悬索桥等桥 型，由于这些桥型的超静定次数高，以往通过横向分布因数等简化设计 的方法再也无法满足设计要求.本文采用大型有限元分析软件ANSYS, 并应用其自带的APDL对悬索桥结构内力进行设计.1有限元模型用ANSYS
6、建立的有限元模型见图1.主梁和桥塔结构通常离散为空间梁单元BEAM4,主缆和吊索等缆 索结构采用空间杆单元LINK10模拟.集中质量单元MASS21用于模拟2 期恒载.施加一定的约束条件模拟实际桥梁的约束情况.2结构内力设计由于大型桥梁体系一般都基于非线性设计，故所有的计算内力值 都是用计入恒载得到的值减去恒载单独作用值的效应.2. 1恒载内力计算计算恒载内力前,根据成桥状态的变形情况调整初始缆索力，见图2.1期恒载内力与施工方法密切相关，应按施工顺序计算3, 4.但 是，在内力组合时，与2期恒载的分项因数相同5，为简化计算，可按1 次落架计算.假定作为2期恒载的铺装重量均匀作用在结构上，可将
7、其 换算为相应的分布载荷作用于桥面上.两者同时作用，得到的结果即为 总恒载内力.在用APDL实现时应该对相应的EQSLV, LNSRCH和NLGEOM等项进 行设定，以达到对结构进行非线性求解的目的.2.2活载内力计算为了确定最不利加载位置，首先绘制控制截面处节点的影响线.绘制影响线的参数化设计实现为:在桥上沿着车行方向定距“移 动”载荷模拟各种载荷情况;然后利用LSSOLVE命令求解每种情况下的 节点内力情况并保存，对于位移和支反力的影响线,可以直接在吋程后 处理里用RFORCE, NSO以及PLVAR绘制;对于其他节点的内力，没有直接 的语句画出，可先将每种载荷情况下的节点内力值写入1个R
8、ESULT文 件，然后将此读出，在Mat lab中绘制.悬索桥的加劲梁可以被看作是支承于吊索形成的弹性支座上的多 跨连续梁（见图3）.只要吊索间距不是很大，一般通过抗风性能等的设 计便可满足内力要求.吊索力在载荷作用于吊索位置时较大，而主缆内力较大的加载位 置却相对比较稳定.鉴于此，可按主缆的最不利加载位置设计.2.3风载内力计算2.3. 1基本风速?设计基准风速和颤振检验风速2.3.4内力计算实现假定横桥向风载荷水平地垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上6，通过计算顺桥向和横桥向风载的内力，确定出不利风载作用.在参数化设计时，将所计算得到的各种力作用于结构的形心上. 2.4温度影响力计算桥梁
9、结构受竖向日照温差和均匀温度影响的作用，在计算因均匀 温度作用引起的内力时，应从受到约束的结构温度开始计算,考虑最高 和最低有效温度的作用效应.内力计算前先选出较不利的温度影响.在参数化设计时,选择所有单元，用TUNIF加均匀温度载荷模拟均 匀温度影响.用BFE实现円照温差的模拟.分别计算后取较不利内力值.2.5基础变位影响力计算在考虑超静定结构因地基压密等引起的长期变形影响时，根据最 终位移量计算构件的效应.参数化实现思路如下:在建模命令流中，把主塔桩底约束中的竖向 线位移向下移确定竖向位移值,其他约束固定，用计入恒载作用下的内 力减去不考虑不均匀沉降时的恒载作用下的内力，这样得到的结构内
10、力值即为基础变位作用的效应.3工程实例3.1存限元计算模型有限元计算模型见图4.模型为主跨1 650 m,边跨578 m的悬索桥，采用双主梁计算模型，桥塔为顺桥向单柱型?横桥向门形的索塔.主缆锚固处和主塔塔底为 结，主缆在塔顶主鞍中心处纵向位移独立，横向和竖向与塔顶耦合，加 劲梁梁端纵向位移和转角均为自由，仅有竖向约束.3.2内力计算3. 2. 1恒载内力计算计算得到恒载作用下结构最大变形量为0.414 2 m，满足变形要 求（见图5）.3.2.2活载内力计算取主缆和吊索上几个控制节点绘制影响线，见图6和7.由此可见， 载荷加在吊索位置吋吊索力较大，而主缆内力较大的加载位置却相对 稳定.悬索桥
11、内力设计中起控制作用的是主缆应力，因此按主缆最不利 位置进行加载计算得到的变形见图8.由公式（10）（12）计算平均升力？阻力及升力矩，且静阵风速vG 取63. 96 m/s，空气密度取1.225 .按最不利影响情况下的结构变形见 图9,最大变形为5. 90 m.图9风载作用下体系变形4结束语针对超静定次数较高的大跨桥梁体系结构内力设计，采用大型右 限元分析软件ANSYS自带的APDL实现对其参数化计算.该方法可避 免界面操作的许多重复，而且可以推广应用于其他类似结构，从而提高 设计效率.文中阐述这种设计方法，并给出简单算例，说明该方法在这 种结构设计中是可行的.参考文献：1 范立础.桥梁工程:上册M.北京:人民交通出版社，1987.2 陈仁福.大跨悬索桥理论M.成都：丙南交通大学出版 社，1994.3 黄绳武.桥梁施工及组织管理:上册M.北京:人民交通出 版社，2000.4 钱冬生，陈仁福.大跨悬索桥的设计与施工M.成都:西南 交通大学出版社，1992.5 中华人民共和国交通部.公路桥涵设计规范:合订本S.北 京:人民交通出版社，1986.6 中交公路规划设计院有限公司.悬索桥设计规范S.北京: 人民交通出版社，1999.（编辑廖粵新）“本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读 原文
