在ANSYS中實(shí)現(xiàn)雙肢薄壁橋墩參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法

1、在ANSY S中實(shí)現(xiàn)雙肢薄壁橋墩參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法韓艷1,陳政清1,李開言2(1.湖南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙410082;2.中南大學(xué)土木建筑學(xué)院,湖南長沙410075摘要:在雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中,選擇合理優(yōu)化的雙薄壁墩的墩距和壁厚等參數(shù)是至關(guān)重要的。根據(jù)主梁與橋墩共同變形協(xié)調(diào)條件,考慮單墩強(qiáng)度和穩(wěn)定約束,應(yīng)用ANSY S通用程序提供的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),通過實(shí)例計(jì)算并與傳統(tǒng)統(tǒng)計(jì)擬合方法進(jìn)行比較,結(jié)果基本一致,驗(yàn)證了此方法的可行性。關(guān)鍵詞:連續(xù)剛構(gòu)橋;雙薄壁墩;參數(shù)設(shè)計(jì);ANSY S中圖分類號(hào):U442文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A文章編號(hào):1672-7029(200506-0015-04A

2、pplication of ANSYS to the deterrmination of theparameter optimum de sign of double thin-wall pierH AN Y an1,CHE N Zhen2qing1,LI K ai2yan2(1.Civil Engineering and Architecture C ollege,Hunan University,Changsha410082,China;2.School of Civil Engineering and Architecture,Central S outh University,Chan

3、gsha410075,ChinaAbstract:In the design of the continuous rigid frame bridge with double thin-wall piers,the reas onable selecting of parameters is very im portant to the bridge.According to the condition of deformation com patibility between the main girder and the pier and paying regard to the cons

4、traint of strength and stability,the author makes the optimum design by adopting the parameter design method of ANSY S s oftware.An exam ple is analyzed by using this method and the result is in g ood agreement with the result of old method,which manifests the practicability of this method.K ey w or

5、ds:continuous rigid frame bridge;double thin-wall pier;parameter design;ANSY S連續(xù)剛構(gòu)橋與連續(xù)梁橋施工相比無支座轉(zhuǎn)換,主墩無支座,全橋伸縮縫少,行車舒適性好,在國內(nèi)外大跨度橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋由于有較大的順橋向抗彎和橫橋向抗扭剛度,既可保證施工過程中的安全穩(wěn)定性,又能滿足特大跨徑橋梁的受力要求。而順橋向抗推剛度小的特點(diǎn),不但能有效地減小溫度、混凝土收縮徐變和地震力等引起的橋墩內(nèi)力,而且降低了基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)難度,受到廣大橋梁設(shè)計(jì)研究工作者的青睞1,2。然而在雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中,其設(shè)計(jì)難度較大且很

6、關(guān)鍵的問題是如何合理地選擇雙薄壁墩的墩距和壁厚,傳統(tǒng)的技術(shù)方法是憑借經(jīng)驗(yàn)或類比試算來決定墩距與壁厚,具有一定的片面性,其結(jié)果輕則致使工作量大,浪費(fèi)了大量時(shí)間,重則導(dǎo)致方案的失誤,浪費(fèi)資金。本文利用ANSY S 通用軟件提供的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言(ADP L和優(yōu)化設(shè)計(jì)等高級(jí)分析技術(shù)3,對(duì)雙薄壁墩的墩距和壁厚進(jìn)行分析設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化,不但結(jié)果可靠,而且工作效率高。1雙薄壁墩橋墩的受力分析圖1為雙薄壁墩連續(xù)剛構(gòu)橋的橋墩構(gòu)造。對(duì)于連續(xù)剛構(gòu)雙薄壁墩來說,橋墩墩寬為常量a(通常取主梁底板寬。橋墩設(shè)計(jì)時(shí),其結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)為墩中距(2e、墩壁厚(b,顯然設(shè)計(jì)參數(shù)a和b 與墩高l和跨徑L有關(guān)。第2卷第6期2005年

7、12月鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)J OURNA L OF RAI LWAY SCIENCE AND EN GI NEERI N GVol12No16Dec.2005收稿日期:2005-06-10基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50178103作者簡介:韓艷(1979,女,江蘇連云港人,湖南大學(xué)博士研究生,從事橋梁結(jié)構(gòu)研究 圖1雙薄壁墩構(gòu)造Fig.1C onfiguration of double thin -wall pier對(duì)于大跨度橋梁結(jié)構(gòu),通常采用懸臂施工方法施工。施工過程中,墩頂部位主梁的負(fù)彎矩較大,為了保證施工階段主梁強(qiáng)度和剛度要求,主梁截面尺寸一般較大。而雙薄壁墩在施工和使用階段的整體

8、抗彎剛度,是由雙薄壁墩提供,即E J =ab 3/6+2abe 2,顯然,雙薄壁墩的整體抗彎剛度較大, 在保證整體剛度和穩(wěn)定性的要求下,無需采用較大的截面尺寸。故對(duì)雙薄壁墩的單墩而言,其截面尺寸僅要求滿足單墩的抗壓(拉強(qiáng)度和穩(wěn)定性即可。于是單墩的抗彎剛度遠(yuǎn)小于主梁的抗彎剛度。因此,在尋求單墩與整墩之間的受力關(guān)系時(shí),根據(jù)結(jié)構(gòu)在以上分析的情況下,作出如下計(jì)算假定4,5:1假定主梁在墩頂部分為完全剛性;2橋墩墩頂內(nèi)力作用在雙薄壁墩墩頂處梁底墩中心處。根據(jù)假定,雙薄壁墩單墩受力分析計(jì)算簡圖如圖2所示。圖2雙薄壁墩計(jì)算簡圖Fig.2Calculation sketch of double thin -w

9、all pier2雙薄壁橋墩的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)由前述分析可知,連續(xù)剛構(gòu)橋雙薄壁墩的優(yōu)化設(shè)計(jì),實(shí)際上是對(duì)橋墩設(shè)計(jì)參數(shù)墩壁厚度及雙墩中心間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)過程,較一般構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜得多。此外,整體結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)對(duì)其影響很大,故需在整體分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。2.1優(yōu)化數(shù)學(xué)模型的建立2.1.1目標(biāo)函數(shù)對(duì)于雙薄壁墩的壁厚和雙墩中心間距的優(yōu)化,其設(shè)計(jì)變量取為x=x 1x 2=b e(1式中b ,e 。目標(biāo)函數(shù)為墩身單位長度的造價(jià),這里僅考慮結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)墩身造價(jià)的影響,對(duì)于墩身內(nèi)所配置的鋼筋、模板及施工費(fèi)用等,認(rèn)為在設(shè)計(jì)方案選定中均為相等,故不予計(jì)入6,則目標(biāo)函數(shù)為f (x =ba(22.1.2約束條件連續(xù)

10、剛構(gòu)橋順橋向橋墩剛度較獨(dú)墩的抗彎剛度大,抗推剛度較小,通常滿足使用和施工的要求,但其強(qiáng)度及單墩穩(wěn)定性是設(shè)計(jì)中主要考慮的兩個(gè)要素。1強(qiáng)度約束。根據(jù)雙薄壁墩的計(jì)算簡圖分析其受力情況,可知雙薄壁墩將有一個(gè)單墩軸力較大,另一個(gè)墩軸力較小,其彎矩相同。因此,對(duì)于小軸力墩強(qiáng)迫按大偏壓構(gòu)件設(shè)計(jì),并考慮結(jié)構(gòu)對(duì)稱性和受力對(duì)稱性即按對(duì)稱配筋考慮,則強(qiáng)度約束條件為7n dbcR a ab 0.55(3式中:n d 為單墩墩頂?shù)妮S向內(nèi)力;R a 為混凝土的極限抗壓強(qiáng)度;b 和c 分別為工作條件安全系數(shù)和混凝土材料安全系數(shù)。將式(3轉(zhuǎn)換為含有設(shè)計(jì)變量的表達(dá)式,即g 1(b ,e =n d -0.55bcR a ab 0

11、(42穩(wěn)定約束。根據(jù)鋼筋混凝土偏心受壓構(gòu)件,其穩(wěn)定條件轉(zhuǎn)化為1<<3(5式中為偏心距增大系數(shù)。由式(5可得kn d l210e E h I h03kn dl 210e E h I h -20(6式中:n d 為單墩墩底的軸向內(nèi)力;E h 和I h 分別為構(gòu)件的彈性模量和截面慣性矩;k 為安全系數(shù),e 為構(gòu)件剛度修正系數(shù),e =0.10.2+e 0/h+0.16(e 0為初始偏心距,e 0=M 0/N 0;h 為偏心彎矩作用平面的截面高度。將式(6轉(zhuǎn)換為含有設(shè)計(jì)變量的表達(dá)式,即g 2(b ,e =kn d l210e E h I h0g 3(b ,e =3kn dl 210e E h

12、 I h-20(761鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)2005年12月2.2參數(shù)設(shè)計(jì)步驟采用ANSY S 提供的的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行其參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟:1建立優(yōu)化必需的分析文件(file.db 。包括參數(shù)化建立模型,求解,提取狀態(tài)變量和目標(biāo)函數(shù);2設(shè)置優(yōu)化變量;3設(shè)置優(yōu)化控制選項(xiàng);4進(jìn)行優(yōu)化并查看結(jié)果。其具體實(shí)現(xiàn)過程見圖3 。圖3雙薄壁墩參數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)框圖Fig.3Realization frame of parameter design of doublethin -wall pier3工程實(shí)例計(jì)算某大橋,其主橋跨徑為78m +140m +78m ,橋面凈寬15.5+2×0.5m

13、,主梁截面形式為單箱單室箱梁,箱梁頂面寬16.5m ,箱底寬8.5m ,主墩采用雙矩形薄壁墩。3.1結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖如圖4所示,采用ANSY S 通用程序?qū)υY(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算。圖4結(jié)構(gòu)計(jì)算簡圖Fig.4Calculation sketch of the structure通過計(jì)算可得雙薄壁墩墩頂O 點(diǎn)的內(nèi)力為H 0=80600kN N 0=113654kNM 0=258420kN3.2參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)采用ANSY S 提供的優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)8-10,b 取初始值為1.8m ,e 取初始值為3.8m ,l 取18.0m ,采用一階方法進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化結(jié)果見表 1。表1l =18.0m 優(yōu)化

14、b ,e 值T able 1Optimizing b ,e when l =18.0m墩高/m 墩壁厚b/m墩中距2e/m18.01.0057.64查看結(jié)果,觀察目標(biāo)函數(shù)f (x =ba 與設(shè)計(jì)變量b 、e 隨迭代步數(shù)變化的情況,具體見圖5圖7。圖5設(shè)計(jì)變量b 的變化Fig.5Figure showing the changing of the design variable b圖6設(shè)計(jì)變量e 的變化Fig.6Figure showing the changing of the design variable e圖7目標(biāo)函數(shù)f (x 的變化Fig.7Figure showing the cha

15、nging of the objective functionf (x 71第6期韓艷,等:在ANSY S 中實(shí)現(xiàn)雙肢薄壁橋墩參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法從圖5圖7可以看出,隨著迭代步數(shù)的不斷增加,不斷對(duì)設(shè)計(jì)變量b,e進(jìn)行優(yōu)化,從而使目標(biāo)函數(shù)f(x=ba達(dá)到最小,此時(shí)優(yōu)化結(jié)束。當(dāng)墩高發(fā)生變化,對(duì)雙參數(shù)b,e進(jìn)行優(yōu)化,并與設(shè)計(jì)統(tǒng)計(jì)擬合結(jié)果進(jìn)行比較,見表2。表2雙薄壁墩設(shè)計(jì)參數(shù)比較T able2C omparison of design parameters of double thin-wall pier墩高L/m本文設(shè)計(jì)墩中距2e/m本文設(shè)計(jì)壁厚b/m統(tǒng)計(jì)擬合墩中距2e/m統(tǒng)計(jì)擬合壁厚b/m18.07.

16、64 1.0057.8 1.0410.0 6.480.660 6.80.83620.0 6.60 1.120 6.8 1.09530.0 6.89 1.600 6.8 1.35340.0 6.92 1.880 6.8 1.610由表2可以看出,本文方法與統(tǒng)計(jì)擬合結(jié)果基本一致,隨墩高變化增大時(shí)優(yōu)化結(jié)構(gòu)較擬合優(yōu)化尺寸增加快,這主要是由于穩(wěn)定約束控制所致。4結(jié)語通過假定主梁與橋墩共同變形且主梁在墩頂對(duì)橋墩的剛性約束,利用ANSY S建立模型并進(jìn)行計(jì)算,得出了雙薄壁墩的內(nèi)力值,由此建立了考慮橋墩強(qiáng)度和穩(wěn)定約束的參數(shù)設(shè)計(jì)方法,參數(shù)設(shè)計(jì)由經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)擬合上升到理論分析,再在理論分析的基礎(chǔ)上利用大型通用程序AN

17、SY S進(jìn)行建模計(jì)算,具有計(jì)算方便,節(jié)省時(shí)間等特點(diǎn),在連續(xù)剛構(gòu)橋設(shè)計(jì)中具有簡便易用的效果。參考文獻(xiàn):1郭梅.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋穩(wěn)定性分析J.西安公路交通大學(xué)學(xué)報(bào),1999,19(3:31-38.G UO Mei.S tability analysis of long-span continuous rigidframe bridges with high pierJ.Journal of X ian Jiaotong University,1999,19(3:31-38.2王睿,耿浩.在風(fēng)載作用下高橋墩的非線性分析J.長沙鐵道學(xué)院學(xué)報(bào),1999,17(2:104-108.W ANG Rui,G

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