四川省铁路产业投资集团 四川成都 610000
摘要：斜拉桥一般采用悬臂施工法，整个施工过程要经历多次体系转换，位移和应力具有累积效应，通用有限元计算软件在分析桥梁结构全过程极限承载力时需要开发专业的接口程序。在Abaqus二次开发平台下，论文介绍了采用降温法迭代达到斜拉索目标索力、斜拉索在极限承载力分析过程中实现断裂的方法与过程，并且通过检验算例说明了开发思路和接口程序的正确性，最后以在建的重庆江津观音岩组合梁斜拉桥为工程背景，运用开发的接口程序研究了其全过程的极限承载力问题。计算结果表明，考虑斜拉索断裂后斜拉桥的极限承载力有所下降，最大下降值达到23%。
关键词：二次开发；组合梁；斜拉桥；极限承载力；Abaqus
Secondary Development and Application of Cable-stayed Bridge about Bearing Capacity Analysis
Lei Yu He Changda Li Wei
( Sichuan Railway Industry Investment Group. Chengdu 610000，Sichuan)
Abstract: The cable-stayed bridge is generally constructed by cantilever method, the whole construction process should experience many times system transformation. the displacement and the stress have the accumulative effect. The general finite element software need to develop a professional interface program when analyzes the ultimate bearing capacity about a bridge structure in the whole construction process. This dissertation took the Abaqus secondary development as a platform, introduced to achieve the aim forces of the stayed cable using the cooling method、to realize the break of the stayed cable’s method and process during analysis the ultimate bearing capacity, also through the testing example shows that the development thought and the interface program are correct. Finally, based on the construction of Chongqing Jiangjin Guanyinyan composite beam cable-stayed bridge, studied the whole construction process ultimate bearing capacity by the developed interface program. The result shows that: afte r considering the break of stayed cable, the safety factor for bearing capacity of structure have decreased, maximum variation are 23%.
Keywords: the secondary development; composite grider; cable-stayed bridge; ultimate bearing capacity; Abaqus
0.引言
“工欲善其事，必先利其器”。土木工程方面常用的通用有限元软件有Abaqus、ADINA、MSC.Marc、ANSYS、FLAC等，桥梁专业有限元软件有Bsas、桥梁博士、Qjx 、Midas/Civil等，专业有限元软件主要采用线性、平面的程序设计，其功能分析能满足对于设计、施工的基本需求，但对于桥梁结构的一些空间、高度非线性的研究问题，就需要采用通用有限元软件来完成。通用软件具有强大的求解能力，并且我们在运用时可以根据需要在它普通功能的基础上针对一般的求解需要开发出我们需要的接口程序(例如：在增量求解结束后根据本次增量的计算结果调整下次增量荷载、求解结束后提取需要的节点或单元的数据到指定文件中、……)，针对桥梁结构特殊的求解需要又可以开发出一些专业的接口程序(例如：斜拉索目标索力的实现、斜拉索断裂的实现、钢主梁梁单元残余应力的实现、结构初始状态的实现……)。这些开发出的接口程序，能使我们在研究问题上获得更广阔的空间，使我们的研究更加深入，并且可以使研究思想得以充分的实现。
Abaqus是一套先进的通用有限元系统，也是功能最强的有限元软件之一。它不仅提供标准的有限元分析程序，而且具有良好的开放性，可利用它提供的用户子程序接口生成非标准的分析程序来满足用户的需要，在实际工程中得到广泛应用。针对斜拉桥施工全过程的极限承载力分析中需要的特殊功能，本文利用Abaqus提供的用户子程序，对Abaqus进行了二次开发。
实现在通用有限元软件中调整斜拉索温度的方法可以采用以下两种：第一种方法的分析流程是在每次斜拉索降温(升温)计算完成时写出重启动文件→结束计算→获取斜拉索索力→重新调整施加的温度→重启动到温度计算前的阶段→施加温度进行计算→降温(升温)计算完成时写出重启动文件→获取斜拉索索力→重新调整施加的温度，……不断重复上述过程直到获取的斜拉索索力与目标索力的误差百分比(误差百分比=(获取的斜拉索索力-目标索力)的绝对值/目标索力)在允许范围内(常取为0.5%)，继续后续的施工阶段的计算，这种方法在ANSYS软件中可以采用APDL语言实现；第二种方法，采用软件提供的子程序接口生成非标准的分析程序，在每次增量步计算前调用此程序获得上次计算的斜拉索索力值，根据迭代公式计算出新的的温度荷载，在当前增量步内施加更新后的斜拉索的温度。
这两种方法都是通过多次调整斜拉索的温度来达到目标索力，但两种方法也有着以下的差别：1) 第一种方法每次温度荷载的计算是在一个分析步内完成而第二种方法每次温度荷载的计算是在一个增量步内完成。2) 第一种方法先计算出更新后的温度，然后在一个分析步内重新将温度从零开始逐步施加到更新后的温度，这种方法施加温度需要多个增量步，第二种温度的施加是在前一个增量步结束时的基础上采用增量的方式施加，在一个增量步内将温度增量施加到更新后的温度，这种方法施加温度只需要一个增量步。3) 第一种方法由于需要多次重启动，每次重启动后又需要多个增量步计算，求解时间明显要高于第二种方法。
1.1索力迭代需要注意的问题
斜拉索目标索力实现的接口程序为ICSP(Implementing Cable Stressing Programe)。在接口程序中需要用到URDFIL与TEMP两个子程序，URDFIL用于在每次增量步结束时读取结果数据，TEMP用于在下一增量中更新斜拉索的节点温度。需要注意的是每次增量步计算结束时有两个分析时间：一个为此增量步结束时在当前分析步中的时间，对应于URDFIL 子程序中的TIME(1)，另一个为此增量步结束时在整个分析中的时间，对应于URDFIL 子程序中的TIME(2)。
对URDFIL非标准的分析程序，在每次增量步结束时主程序都要调用一次，由于斜拉桥有多对斜拉索且斜拉索需要多次张拉，因此需要在接口程序中明确表示出：1)本荷载步是否有斜拉索张拉；2)如果有斜拉索张拉，是第几次张拉、张拉的斜拉索编号是多少、荷载是多少，这时就需要用到TIME(2)时间控制。斜拉索的每次张拉总是位于分析过程中的一个时间段上，当TIME(2)位于此时间段时就表明需要对此对斜拉索进行张拉。
2.斜拉索断裂的实现
在斜拉桥的极限承载力分析中，对斜拉索的处理有两种方法：第一种方法将斜拉索作为理想弹塑性材料，斜拉索达到其屈服强度后应力维持不变，变形不断增加；第二种方法将斜拉索作为理想弹性断裂材料，在斜拉索应力达到其断裂强度前材料为弹性材料，应力达到其断裂强度时斜拉索突然断裂且不具有承载任何荷载的能力，表现为斜拉索在瞬间开始卸载并使应力迅速减小为零且退出后续的工作。
斜拉索断裂后，开始卸载，梁端与塔端会受到斜拉索索力反方向的一个卸载力。卸载过程中这个力较大，可能会引起相邻其他斜拉索的应力大幅度的变化，这种变化主要有两种表现：
1) 一对斜拉索断裂后，索力逐渐卸载，在卸载过程中其他斜拉索未出现断裂；2) 一对斜拉索断裂后，索力逐渐卸载，卸载过程中出现其他斜拉索断裂。
2.1拉索断裂需要注意的问题
在荷载增量迭代计算时需要采用自动与固定增量步结合的方式控制增
上述算例的计算结果使得吊杆力达到目标要求且拱桥在受力过程中符合结构体系的变化规律,说明开发程序的合理性与可行性。
4.工程实例
在建的重庆江津观音岩长江大桥，是重庆绕城公路南段中规模最大的特大桥。主桥为钢-混凝土组合梁双塔双索面斜拉桥，主梁截面形式为双工字型组合梁，纵向板漂浮体系。主桥共长879 m，桥跨布置为，35.5+186+436+186+35.5m。
全桥划分各类单元11264个，节点总数为18242个，其中空间梁单元6962个，空前壳单元2930个，空间桁架单元1364个，连接单元8个。该桥的整桥计算模型如图5所示。主梁标准梁段施工过程主要包括：吊装纵梁→纵梁匹配生效→吊装横梁→横梁匹配生效→一张斜拉索→生成混凝土桥面板重量(混凝土桥面板的荷载以均布形式作用于横梁) →二张斜拉索→浇注混凝土桥面板湿接缝→桥面板单元生成→三张斜拉索→吊机前移。按照现场施工控制的要求，大桥的建设共计划分为216个施工阶段
1）通过对斜拉桥加载过程斜拉索的应力状态研究，发现第一对斜拉索出现断裂时，其相邻斜拉索的应力也接近于断裂强度；如果出现第一对斜拉索断裂，往往会引发相邻斜拉索的连续性断裂而使斜拉桥达到极限承载力，这是江津桥达到极限承载力状态时的主要表现。文献 中钢箱梁斜拉桥达到极限承载力状态时也是以这种表现为主。因此斜拉桥的整体第二类稳定计算中如果考虑斜拉索断裂，第一对斜拉索断裂时的荷载系数常常就为斜拉桥的安全系数；
2)在3#梁段前，结构极限承载力受斜拉索断裂的影响很小，而主要受主梁与桥面板的极限承载力控制；在4#～5#梁段，结构极限承载力受斜拉索断裂的影响逐渐增加，最大的变化值已达到0.9，下降23%；在5#梁段后，结构极限承载力受斜拉索断裂的影响又逐渐减小。因此斜拉索断裂对斜拉桥极限承载力的影响在施工全过程中是先增大再逐渐减小的过程。
5.结束语
本文利用Abaqus提供的多个子程序对Abaqus进行了二次开发，实现了斜拉索采用降温法达到目标索力、斜拉索在极限承载力分析过程中实现断裂的接口程序，并通过算例表明开发程序的合理性与可行性；
1)采用接口程序研究了在建的江津桥全过程的极限承载力，研究结果显示考虑斜拉索断裂后结构的极限承载力明显降低，下降最大值达到了23%，并且结构极限承载力受斜拉索断裂的影响要经历一个逐渐增大随着梁段的增加又逐渐减小的过程。
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作者简介：
雷宇(1979.12- ),男 单位：四川省铁路产业投资集团 籍贯：四川省德阳市 学位：博士研究生 职称：高级工程师 职务：总工程师 专业：桥梁与隧道工程
论文作者:雷宇,贺昌达,黎伟
论文发表刊物:《基层建设》2017年第35期
论文发表时间:2018/3/21
标签：拉索论文; 承载力论文; 斜拉桥论文; 增量论文; 温度论文; 极限论文; 荷载论文; 《基层建设》2017年第35期论文;