独塔斜拉桥有限元模型的修正探究.pdf

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1、2014年第35卷S2独塔斜拉桥有限元模型的修正探究邓达（河北工业大学土木工程学院，天津300401）摘要：斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。该文就实测索力的模型斜拉桥有限元模型的修正进行了详细探讨，以供借鉴。关键词：模型斜拉桥；有限元模型；模型修正斜拉桥最大的特点就是固定在索塔和梁上的斜拉索代替支墩提供给主梁多点的弹性支撑，这就使得梁内弯距的大小不再取决于桥梁的整体跨度，而是与斜拉索的索距相关，这种设计方式能够通过降低主梁的截面弯矩从而在很大程度上将桥梁的跨越能力提升上去，斜拉索是直接锚固在索

2、塔和主梁上的，这样的结果方式使其成为自锚结构体系，拉索在承受巨大拉力的同时会使主梁产生轴向预压力，在节省建筑材料的用量的同时，还能大大提高主梁的抗裂性能。1初始有限元模型模型桥的跨度为2.6m+2.6m，将铝合金作为主梁的材料，界面形式采取箱形截面，主塔的材质主要为I型钢，斜拉索的总数为36条，全部是用钢丝绳制作而成，主梁的制作是分段进行的，每两个分段之间采用螺栓进行连接。空间板壳模型能够很好地适用于箱形截面，并且能够将主梁的质量分布和几何关系很好地反映出来，具有较高的计算精度，现以ANSYS分析软件作为分析的平台，建立斜拉桥的空间板壳有限元模型，采用SHELL63壳单元对主梁和

3、主塔进行模拟，空间杆单元linklo将用于进行斜拉索的模拟，将其设为只受拉单元，在初始的模型中，在对各个单元的物理学参数进行取值时，要按照规范的规定进行，采用约束方法将拉索与主梁连接起来，主梁与主塔的连接按固结的方法处理，主梁两端视为铰接，主塔根部为固结。2静载试验在进行静载试验时，按照有限元预分析确定9个工况来完成，结构在变形过程中达到相对稳定时所用的时间就是持荷时间，这9个工况都需要加载卸载反复进行3次，并且在加载过程中一定要随时去观察各索索力以及每个控制点的挠度有什么变化，具体的实验工况为：工况1，R端S1处横桥向一侧偏载34kg；工况2，R端S1处横桥向均布加载62kg；

4、工况3，两端S1处横桥向均布加载124kg；工况4，R端跨中横桥向一侧偏载34kg；工况5，R端跨中横桥向均布加载62kg；工况6，两端跨中横桥向均布加载124kg；工况7，R端2/3跨处横桥向一侧偏载34kg；工况8，R端2/3跨处横桥向均布加载62kg；工况9，两端跨处横桥向均布加载124kg。3有限元模型修正有限元模型修正在这里主要是指一个一直在进行设计参数修正、满足一些限制条件下的目标函数，从而能够无限接近最小值的过程，其本质就是构成一个约束非线性规划问题。在对初始有限元模型进行建立时，在对结构的参数值进行选取时，常常选择初始设计值或规范规定值，因此，经常要对初始有限元模

5、型中参数的实际状况进行相应的评估和修正来进行优化，从而能够在最大程度上得到能反映结构现实状况的有限元模型。3.1参数灵敏度分析参数灵敏度分析是将待修正的参数视为目标函数或者状态变量的多元函数，直接对其求导就可得出各参数的灵敏度。对参数灵敏度进行相应的分析主要是把待修正的参数看做状态变量的多元函数或者是目标函数，这样就可以通过直接求导的方式来找出各个参数的灵敏度，fr=f(x1,x2,x3…，xn-1,xn)来表示目标函数或状态变量的参考状态。各参数的灵敏度定义为：（1）¶f¶f¶fDf=r,r,K,rr¶x¶x¶x12n由公式（1）可知，对各参数在模型中对应的状态变量

6、的灵敏度进行分析，当参数增加10%时，将相对应的状态变量的变化量计算出来。斜拉索对斜拉桥模型的索力以及主梁密度对主梁位移这两方面的灵敏度都非常小，并且弹性模量、斜拉索的截面面积和主梁的弹性模量这三方面对斜拉桥模型的索力及主梁位移的变化都非常敏感。因此在主要待修正参数选取时，可以将弹性模量、斜拉索的截面面积和主梁的弹性模量来进行选取，次要待修正参数可以选取斜拉索与主梁密度，然后再进行相应的参数调整。3.2模型修正结果及评述以灵敏度的分析结果为依据，采用ANSYS的方法进行优化分析，首先利用子问题的方法找出一个比较好的“最优”参数序列，然后再在参数序列的基础上，运用扫描法来进行目标函

7、数以及状态变量的整体变化的评估工作，最后在计算目标函数以及状态变量对设计变量的梯度时可以采用最优梯度法进行计算，在进行实际的计算时，在对模型进行了多次的迭代分析计算后，规划的目标函数已经达到收敛条件的要求，并且满足了状态变量的限制要求，将目标函数降到最小，各结构参数在修正后的具体数值详见表1。表1修正的结构参数构件参数设计值初始设计值估计区间参数修正值弹性模量/GPa7171[57,85]80主梁-3密度/(kg·m)28002800[2570,2850]2754弹性模量/Gpa