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1、顺昌人行悬索桥ANSYS 有限元模拟课程名称：索结构姓名：葛继平(N022005156) 桥隧工程李秀芳(N012005131)结构工程指导老师：彭大文(教授)陈昀明报告日期：2003 年 2 月 28 日福州大学土木建筑工程学院2003 年 2 月 28 日、 顺昌人行悬索桥简介 设计人行荷载 2.5kN/m. 主索跨度 348米，失高 20米，桥面净宽 2.5米。 主索采用7根 42 (7x 19)共14根。 桥面系吊索用 1 9的钢丝绳。 桥面系长度 268 米。 桥面两端标高为1.00米，跨中标高为 4.00米，呈抛物线型。二、有限单元模型21 基本假定 由于悬索桥的受力传力体系的复杂
2、性，顺昌人行悬索桥桥面系 统的构件多样，空间位置的复杂性，对其有限元模型作了一些合理 的假定，并最大程度地保证简化后的有限元模型质量，刚度的不变 性：( 1 )结构部分归类为横向工字梁，纵向工字梁，纵向槽钢、斜 向支撑，主塔竖向构件，主塔横向构件，主索，竖向吊杆，桥面 板。( 2)主塔竖向构件在全部高度，主塔横向构件在全部长度上只 有一个截面属性，忽略倒角的影响；主塔竖向构件底端直接固接。(3)主索与桥塔横向构件的连接采用自由度耦合来模拟。( 4)桥面的横、纵、斜向的梁及桥面板处于同一平面内，而其 相应的面外刚度的计算以此为基准。(5)由于本模型没有用来计算横向风载的影响，所以缆风绳没 有22
3、 单元类型 在有限元模型中，使用了三种单元类型对悬索桥的桥塔、桥面系、缆索进行了模拟。他们分别是三维弹性梁单元(BEAM4)，三 维杆单元(LINK10)，板壳单元(SHELL10)，各个单元的类型简 述如下：(1)Beam4 可承受拉力、压力、扭矩、弯矩.每个节点有 6个方向的自由度.可以考虑应力刚化,大变形等特性。(见图 1)图 1 Beam4 示意图2)Link10Link10 单元在每个节点上有三个自由度：沿节点坐标系 x、y、 z方向的平动。适用于模拟3-D空间桁架，杆件，弹簧等结构.使用只拉 选项时,如果单元受拉,刚度九消失,以此来模拟缆绳的松弛或链条的 松弛.可只承受轴向拉力或只
4、承受轴向压力,无法承受弯矩.元素具有 塑性,徐变,膨胀,应力强化,大变形和大应变等特性。（见图 2）图 2 Link10 示意图（3）Shell63Shell63单元每个节点有六个自由度：x、y、z方向的平动和绕x、 y、 z 轴的转动。该单元包括应力刚化和大变形功能。在大变形分 析（有限转动）中，可以用一致切向刚度矩阵。（见图3）图 3 Shell63 示意图23 单元特征在建模过程中，根据设计图纸归纳出全桥的各个构件的名称、 所属的单元类型、截面的最大尺寸、所属的材料类型。表 1 单元特征结构部分单兀类型截面尺寸（m）材料类型桥面系横向工字梁BEAM4b=0.088,h=0.16工16型纵
5、向工字梁BEAM4b=0.08 ,h=0.14工14型纵向槽钢BEAM4b=0.058,h=0.14槽14a型斜向支撑BEAM4b=0.058,h=0.14槽14a型桥面板SHELL63h=0.005钢板索系主索LINK10A=5730mm 27根42竖向吊杆LINK10A=283.4mm2 19钢丝绳桥塔主塔竖向构件BEAM4A=1200 x 750C25砼主塔横梁BEAM4A=1500 x 1200C25砼24材料特性顺昌人行悬索桥中使用的基本材料包括了建筑钢材、混凝土和钢丝绳。在有限元单元模型中使用的材料常数见表2。表 2 材料特性材料杨氏模量（KN / m 2）泊松比密度（KN / m
6、 3）结构部分1钢210 x 1090.37850桥面系2C25砼28 x 1090.22550桥塔3钢丝绳195x1090.38676主索、吊索25模型细节为了更好地进行结构的静力和动力分析，建立了一个三维空间 有限元模型。对该悬索桥的桥塔、桥面系、缆索，使用了三种单元 类型类型来模拟。各单元的使用如下：主缆和吊索的模型使用只承受拉力的三维杆单元（LINK10）。 所有的主缆和吊索都使用LINK10单元，但是截面特性各不相同， 必须输入一个重要的特性是单元的初应变，这个初应变用于计算结 构初始应力矩阵。主缆和吊索、吊索和横向工字梁都由节点连接， 每两个节点节点之间的主缆及每两个节点之间的吊索
7、都设为一个单 元，共计386个单元。其中，主缆计186个单元，吊索计 180个单 元。各个单元在公共的节点上是铰接。横向工字梁，纵向工字梁，纵向槽钢、斜向支撑，主塔竖向构 件，主塔横向构件的模型使用三维弹性梁单元（BEAM4）。各个构 件单元由节点相连，每两个节点之间的纵横梁设为一个单元，节点 位置与设计图纸一致，其中桥面系1433个，主塔10个。各单元在 公共的节点上是固接的。桥面板的模型使用三维板壳单元（SHELL63）。每个桥面板单 元的节点与桥面系的相应单元重合，共计 267 个单元。真个有限元模型共有节点1101个，单元2076个。26边界条件实际桥梁的边界条件很复杂，有限元模拟时一般根据具体的支 座类型来确定，如固接、绞接、弹簧等来实现。在本文的有限元模 型中，桥塔与基础固接，主缆两端分别和锚碇固接，桥面系两端分 别与桥台绞接，吊杆两端横桥向的自由度耦合。
