大跨度斜拉桥几何非线性有限元静力分析

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1、●试验研究翘楚适材2012．正大跨度斜拉桥几何非线性有限元静力分析包文艳’，王立雅(1．兰州交通大学土木工程学院，甘肃兰州730030；2冲铁二十一局二公司，甘肃兰州730070)摘要大跨度斜拉桥的非线性主要来自三个方面：垂度效应、结构大位移效应及弯矩与轴向力组合效应。要对大跨度斜拉桥进行非线性分析，必须从这三个效应出发，用Mid．／civil7．0软件对重庆李渡斜拉桥进行几何非线性有限元分析，得出了进行分析必要性的结果。关键词斜拉桥；拉索；垂度；弯矩；轴向力0引言组合作用之下，这些构件在材料满足胡克定律时也会呈现随着斜拉桥跨度的不断增大，其斜拉索、主梁和塔桥的出非线性特征。现引入稳定函数来

2、处理弯矩与轴向力的组几何非线性问题就开始凸现。由于斜拉桥具有的柔性结合效应，用得出的稳定函数修正刚度矩阵后再进行线性计构、构件内力和变形时的复合特性，在对其施以静荷载之算。后，桥的结构与主部件的轴线和形状都会有较大的变化。此时斜拉桥将有着线性分析时不同的状况：作用力和变形㈣一如下量之间不是线性比例关系、由高次方程来表达结构的变形、载荷增减的效应不能简单叠加，因此，必须要对大跨度山一广斜拉桥进行几何非线性分析。1几何非线性有限元分析1．1斜拉索垂度效应轴向压力构建㈣一，，一般情况下，斜拉索在自重作用下呈悬垂状态，在计算上图构件AB同时承受轴向力和横向荷载，杆端约束时要考虑到垂度影响，而不能按一

3、般拉升杆件的方式来计是任意的。存在轴向压力时的刚度矩阵为：算。斜拉索在两端拉力作用下的变形由两部分组成：斜拉下丁索材料应变引起的弹性形变和斜拉索自重引起的几何形变。分析斜拉索垂度效应的简单方法是等效弹性模量法。】=把索视为等长的桁架直杆，受材料变形、构造伸长和垂度变化三个因素的影响，其表达式为Ernst公式：审，+12os若轴向压力P消失，则当u一0，此时矩阵[T】应与线性分析中的刚度矩阵【T】相同，即其中：为等效弹性模量；Ee为弹性模量；r为钢索容量；盯为索内拉应力。4E11．2结构大位移效应．．，’’结构大位移会产生附加应力，此附加应力和荷载增量6E，l2．是非正比关系。计算此附加应力可

4、以采取逐步迫近的方12l3’法。2EI6El4El，2，，1．3弯矩与轴向力组合效应现定义稳定函数为S。、s、s、S，用它们来修正线性分斜拉桥的斜拉索拉力使得其他构件处在弯矩与轴向力析中的刚度矩阵[K】，使之与【T]相等。则：·8·第1期(总第129期)斑楚遽姑试验研究●P2．1计算荷载及计算参数o0ooS=Sm“模型计算考虑了以下参数：结构自重、混凝土收缩徐变、：!：12：l二!!型C=COSU二期恒载、活载、温度影响、预应力损失、基础不均匀沉降、索：～i其中R=2—2COSU一“sinu。o。=力。酗2_2结构材料00=量按设计图纸的说明：该桥桥塔与主梁悬臂浇注梁段和支P是构件的轴向压力

5、，E是弹性模量，I是构件截面抗弯架浇注梁段分别H采O用OC50和OC60O混凝土，永久预应力束运用惯矩，J是构件长度。715．24，预应力粗筋运用4)32精纹钢，斜拉索为塑包平行对于轴向受压构件，还有：s17一，其中。。钢丝束，钢丝束的抗拉标准强度为1670MPa。模型的计算过／4P{z程中各材料指标取值按表1。：“(M曲2+(cot“+UCSC2“)一2+o。0妇表1三种材料的指标取值+6(1+c0t)X2csc麓。，蝇为端杆弯矩，A为截面面积。P，各力的正方向稳定性函数在修iEN度矩阵[Kd的表达式为2．3结构模型】=计算模型为实际结构的抽象化表现，本桥Midas／civil7．0有限元

6、模拟过程中考虑了以下几个方面：(1)单元划分和截面变化。主梁单元号从1到116、左塔单式中Kh是线性分析时平面杆件刚度矩阵元素，即元号从117到172、右塔单元号从173到225、索单元号从J一一竽226到325、短索单元号从326到329。因主梁会有截面突变，故将横隔板当做集中荷载加载在梁体上。1K22=K55=--=(2)支架模拟。主梁边跨箱梁段运用支架现浇施工。为了仿真模拟施工过程，采用具备一定刚度的临时支座等效支架。{：=K32==一=一，=一6--K65-下6E1(3)边界处理。施工时施行了塔梁I临时固结措施，中跨合{=拢之后随即拆除此临时固结，便顺利完成了结构体系的转换。根据桥墩

7、、桥台、桥塔处支座的设计，在建立模型之时，分I别采用了刚性支撑与主从约束模拟。修正后的刚度矩阵的局部坐标系如下：(4】斜拉索与塔梁连接的模拟。由于实际桥的斜拉索与塔^y上一梁的连接位置不处于塔和梁的中轴线上，因此斜拉索的拉力，——对塔和梁会产生一定的偏心作用。为逼真的模拟塔梁的受力厂————]_—一I2{5状态，在建立有限元模型时，将梁单元结点和索单元结点定杆件的局部坐标系在一个节点号上，Midas／civi