ANSYS二次開發(fā)技術(shù)在確定纜索承重橋梁成橋初始恒載索力中的應(yīng)用

1、ANSYS二次開發(fā)技術(shù)在確定纜索承重橋梁成橋初始恒載索力中的應(yīng)用         對(duì)纜索承重橋梁進(jìn)行全橋受力分析時(shí)，首先需要提供一組初始索力，使纜索承重橋梁在成橋恒載作用下滿足設(shè)計(jì)的基本參數(shù)和性能，達(dá)到合理的受力狀態(tài)和幾何線型。對(duì)于懸索橋，合理成橋狀態(tài)不僅和施工方法、構(gòu)件自身特性有關(guān)，還與吊索內(nèi)力有關(guān)，吊索內(nèi)力不僅決定加勁梁的彎曲內(nèi)力分配，也決定主纜的索形及內(nèi)力分布，吊索成為了研究成橋受力狀態(tài)的關(guān)鍵;對(duì)于斜拉橋，合理成橋狀態(tài)必須綜合考慮主梁、塔、索和墩的受力，即在成橋恒載作用下，主梁彎矩控制在“可行域”范圍內(nèi)，墩宜向岸側(cè)有一

2、定的預(yù)偏量，斜拉索索力分布均勻，橋墩支座有足夠的壓力儲(chǔ)備，其中斜拉索索力是研究成橋受力狀態(tài)的關(guān)鍵;因此對(duì)纜索承重橋梁進(jìn)行受力分析時(shí)，必須保證在成橋恒載作用下的吊索(斜拉索)計(jì)算索力與設(shè)計(jì)索力一致，才能保證在成橋恒載作用下橋梁處于合理成橋狀態(tài)。 尋找初始索力的方法是假定一組索力，以初應(yīng)變的形式加到吊索(斜拉索)上，計(jì)算在成橋恒載作用下的索力，并檢查計(jì)算索力與設(shè)計(jì)索力的誤差是否在允許的范圍內(nèi)，若誤差過大，則修改吊索(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)，將最后一次計(jì)算所用的一組吊索(斜拉索)初應(yīng)變乘以各自彈性模量即為所要找的一組初始索力。然而，對(duì)纜索承重橋梁這種柔性結(jié)構(gòu)體系，

3、吊索(斜拉索)與吊索(斜拉索)之間的索力會(huì)相互影響，往往需要多次調(diào)試才能找到一組合理初始索力，并且每次調(diào)試都要修改吊索(斜拉索)的初應(yīng)變，比較繁瑣、費(fèi)時(shí)。針對(duì)上述問題，本文提出利用ANSYS提供的二次開發(fā)技術(shù)，運(yùn)用影響矩陣法，編制相應(yīng)的調(diào)試程序來尋找纜索承重橋梁初始索力。該程序成功應(yīng)用到確定一座自錨式懸索橋成橋初始恒載索力，為今后利用ANSYS解決橋梁中的同類問題提供了一條新的思路。1 ANSYS的二次開發(fā)技術(shù)1.1 戶程序界面設(shè)計(jì)技術(shù) 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(User Interface Design Language)。UIDL是一種程序化的

4、語言，用戶通過向控制文件寫人UIDL命令流來建立自定義的菜單、對(duì)話框和在線幫助，在擴(kuò)充ANSYS 功能的同時(shí)建立起對(duì)應(yīng)的圖形驅(qū)動(dòng)界面，從而實(shí)現(xiàn)命令重組、架設(shè)其他用戶程序與ANSYS之間的橋梁等功能。1.2 參數(shù)化程序設(shè)計(jì)技術(shù) ANSYS 提供了一種參數(shù)設(shè)計(jì)語言APDL(ANSYS Parametric Design Language)，APDL是一種非常類似于FoRTRAN的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言，用戶可以用它執(zhí)行一般任務(wù)，甚至可以按照命令建立自己的模型。其核心內(nèi)容為宏、參數(shù)、循環(huán)命令和條件語句。其中，程序設(shè)計(jì)語言部分與其它編程語言一樣，具有多數(shù)、數(shù)組表達(dá)式、函數(shù)、流程控制(循環(huán)與分支)、宏

5、以及用戶子程序等。用戶可以利用程序設(shè)計(jì)語言將ANSYS命令組織起來，編寫出參數(shù)化的用戶程序，從而實(shí)現(xiàn)有限元分析的全過程，即建立參數(shù)化的有限元模型、參數(shù)化的網(wǎng)格劃分與控制、參數(shù)化的材料定義、參數(shù)化的荷載和邊界條件定義、參數(shù)化的分析控制和求解以及參數(shù)化的后處理。 1.3 開放式的用戶編程技術(shù) ANSYS 提供給用戶另一種二次開發(fā)技術(shù)一UPFS (User Programmablo Features)，它允許用戶連接自己的FORTRAN程序和子過程，通過連接用戶的FORTRAN程序生成了一個(gè)針對(duì)用戶特點(diǎn)的ANSYS程序版本，該項(xiàng)技術(shù)充分顯示了ANSYS的開放體系。用戶不僅可以采用

6、它將ANSYS程序剪裁成符合自己所需的任何組織形式，如可以定義一種新的材料，一個(gè)新的單元或者給出一種新的屈服準(zhǔn)則，而且還可以編寫自己的優(yōu)化算法，通過將整個(gè)ANSYS作為一個(gè)子程序調(diào)用的方式實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)從簡(jiǎn)單的單元輸出功能到很復(fù)雜的用戶優(yōu)化算法。2 基于ANSYS二次開發(fā)的纜索承重橋梁初始索力確定2.1 幾何非線性的考慮 懸索橋的幾何非線性包括主纜幾何非線性、加勁梁和索塔的梁柱效應(yīng)和垂度效應(yīng);斜拉橋的幾何非線性包括斜拉索的大位移效應(yīng)、梁一柱效應(yīng)和垂度效應(yīng)。本文通過在變形后的位置上建立新的平衡方程來考慮幾何非線性，用等效彈性模量法考慮主纜或斜拉索的垂度效應(yīng).2.2 纜索承重橋梁初始恒載

7、索力的確定方法 (1)初始索力向量F0( F0),等于設(shè)計(jì)索力向量 F，F(xiàn)=f1 ,f2 ,.,fi .,fn T,fi (i=1,2.,n)是吊索(斜拉索)的設(shè)計(jì)索力。(2)結(jié)果索力向量Fr，!Ft= fr1 ,fr2 ,.,fri .,frn T ,fri (i=1,2,.,n)是在成橋恒載作用下，吊索(斜拉索)的索力為初始索力時(shí)的計(jì)算索力。(3)調(diào)值向量F，是結(jié)果索力向量和設(shè)計(jì)索力向量的差值F=F1 ,F2 ,.,Fi ,.,FN T ,FI =fri -fi (i=1,2.,n).(4)被調(diào)向量X，是吊索(斜拉索)的索力增量X=x1，x2，xi，.，xn T(i=1，2.，n

8、)。(5) 影響向量Aj，是在成橋恒載初始索力作用下，讓被調(diào)向量第i個(gè)元素xi成發(fā)生單位變化引起調(diào)值向量F的變化量，Aj=a1j，a2j，.，aij，.，amjT(i=1，2.，m，m=n)(6) 影響矩陣A，是m個(gè)被調(diào)向量發(fā)生單位變化，引起每個(gè)影響向量依次排列所形成的矩陣，A=A1，A2，.，Aj，.，Am如果認(rèn)為 在調(diào)整階段結(jié)構(gòu)滿足線性疊加原理，根據(jù)定義被調(diào)向量必須滿足下面方程:AXt= F求解上述方程即可得到被調(diào)向量Xt，對(duì)于線性結(jié)構(gòu)，一次調(diào)整即可得到較好的結(jié)果，對(duì)于非線性結(jié)構(gòu)，可以采用循環(huán)影響矩法進(jìn)行調(diào)整。本文計(jì)算方法為:假定設(shè)計(jì)索力為初始索力，考慮纜索承重橋梁的幾何非線性效應(yīng)，應(yīng)力強(qiáng)

9、化效應(yīng)，求出索力影響矩陣后反復(fù)計(jì)算并調(diào)整吊索(斜拉索)的初始索力，直至在成橋恒載作用下的結(jié)果索力與設(shè)計(jì)索力的相對(duì)誤差在允許的范圍內(nèi)。具體步驟如下:(1) 輸人橋梁結(jié)構(gòu)的基本參數(shù);(2) 假定初始索力F0為設(shè)計(jì)索力F;(3) 采用Newton-Rapson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)及垂度效應(yīng)的影響)，求出結(jié)果索力F，調(diào)值向量F;(4) 檢查f i/fi(i=1，2，.，n)是否小于允許誤差，如果是則打印計(jì)算結(jié)果，否則令A(yù)lXt=F，求出Xt，更新初始索力向量，令Fo =F0-Xt,重復(fù)(3)、(4)，直到fi/fi小于允許誤差。(5) 打印F0。2.3 基于ANSYS二次開

10、發(fā)的纜索承重橋梁初始索力確定的基本過程 針對(duì)所要解決的向題，用戶可以選擇相應(yīng)的二次開發(fā)技術(shù)對(duì)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)，將前面介紹的纜索承重橋梁初始索力確定方法在ANSYS中實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下:(1) 建立有限元模型，定義荷載，邊界條件;(2) 采用下面ANSYS 命令設(shè)置分析類型，求解單元內(nèi)力和應(yīng)變; SOLCONTROL,ON !優(yōu)化非線性分析NLGEOM,ON !幾何非線性分析SSTIF,ON !考慮應(yīng)力剛化SOLVE !求解 (3) 利用 *do-lop命令循環(huán)求解，每求解一次，改變一根吊索(斜

11、拉索)的初應(yīng)變，求出索力影響向量，循環(huán)結(jié)束后求出影響矩陣。(4) 利用 *do-lop命令循環(huán)求解，運(yùn)用影響矩陣法求出結(jié)果索力，結(jié)果索力小于允許誤差則停止計(jì)算;否則更新初始應(yīng)變，重新計(jì)算，直到結(jié)果索力和設(shè)計(jì)索力差值小于允許誤差。3 應(yīng)用事例 以某自錨式懸索橋?yàn)槔?，該橋主跨?50m，邊跨為270m，主跨垂跨比為1/12.5，塔高136m，拉索間距12m。建立脊梁式有限元模型，見圖1，本模型中相鄰吊索索力影響較大，采用人工調(diào)索的方法來尋找合理初始索力既費(fèi)力又費(fèi)時(shí)，且較難得到滿意的結(jié)果，利用本文的方法能自動(dòng)尋找合理初始索力，既方便又省時(shí)而，且精度高。索力計(jì)算值和設(shè)計(jì)值對(duì)比見表1 4 結(jié)語