某混凝土自锚式悬索桥模型梁单元建模研究论文_邓余杰

(西安建筑科技大学土木工程学院,陕西西安 710055)

摘要:针对某混凝土自锚式悬索桥缩尺模型的主梁分别采用BEAM4单元、BEAM188单元建立模型,在集中力作用下对主梁全桥位移进行了对比研究,以便得到该模型有限元分析主梁的合理模型。结果表明,BEAM4单元建立的模型的计算结果更加接近实测值,是该混凝土自锚式悬索桥缩尺模形主梁分析的合理单元。

关键词:自锚式悬索桥缩尺模形,主梁,BEAM4单元,BEAM188单元

引言

自锚式悬索桥由于其美观的造型及独特的荷载传递路径,目前在同等跨径的桥型中的竞争力越来越占有优势,而对自锚式悬索桥进行结构受力分析就尤为重要。目前,针对结构受力特点的分析主要采取两种方法:一是根据结构的实际尺寸利用各种类型的有限元分析软件建立合理的足尺有限元模型或者缩尺模型,对结构在各种荷载作用下的情况进行仿真预分析,得出结构各个构件的响应值;二是结合结构的相似原理,建立一定比例的缩尺模型,进行模型试验研究。而模型试验能够更好的对自锚式悬索桥的受力特性进行分析。沈锐利[1]制作了杭州江东大桥的全桥模型,研究了自锚式悬索桥成桥后的静力力学特性;钟慧[2]通过引入“相似调整系数”,解决了在有限的试验条件下,大缩尺悬索桥模型存在的配重大、加载困难的问题;王桢[3]运用全桥模型试验探索了超大跨径自锚式几何非线性特征;张达[4]通过建立缩尺模型,对某非对称独塔自锚式悬索桥进行施工过程模拟研究,分析不同的吊索张拉顺序下结构位移及内力的反应,对吊索合理的张拉顺序进行研究;万利军[5]通过对某自锚式悬索桥建立1:50的缩尺模型,基于最不利加载工况下的试验数据,对全桥的主缆、吊索、主梁的受力及变形特征进行分析;王桢[6]结合自锚式悬索桥的模型试验与数值模拟,分析了结构体系转换对相邻吊索及其他吊索应力影响的规律;陈浩[7]针对多种桥型悬索桥的试验模型,进行竖向堆载试验、水平荷载静力试验、移动车辆荷载试验及模型自振特性测试试验,探讨相较于空间维索体系悬索桥和平行维索体系悬索桥,单叶双曲面空间缆索体系悬索桥在结构性能上的优势;秦凤江[8]通过设计相似比为1:3的钢-混结合段缩尺试验模型,研究了某大跨度自锚式悬索桥主梁钢-混结合段的受力性能与传力机理。

上述学者都是通过建立试验模模型对自锚式悬索桥进行力学特性分析,而在建立试验模型的同时往往需要通过有限元软件建立试验模型的仿真模型,二者相互校验,已验证实验模型的准确性及可靠性。本文利用大型有限元分析软件ANSYS建立某混凝土自锚式悬索桥的缩尺模型,分别采用BEAM4、BEAM188单元建立主梁单元,通过集中力作用下主梁位移计算值与实测值的比较验证上述2种单元对建立主梁单元的有效性。

试验缩尺模型概况

某自锚式悬索桥缩尺模型如图1所示,模型全长75+875+2000+875+75=3900mm,主梁为布置了钢丝网的厚度为2.3cm的强度为C15的现浇混凝土,主梁宽度为36cm;主缆采用高强钢绞线,其横截面面积30.47mm²,钢丝标准强度为1960MPa;吊索采用横截面面积为0.73mm²的镀锌高强钢丝绳,其标准抗拉强度为1670MPa;全桥吊索均以等间距62.5mm布置,边跨12根吊索,中跨31根吊索。针对主梁,截面形式为实心矩形,因此分别采用BEAM4、BEAM188单元模拟。主缆和吊杆都采用LINK10单元,主塔采用BEAM4单元,所有支撑处的竖向位移都取为固定约束。

分析结果

在结构合理成桥的情况下,即在一二期恒载的作用下,主梁中跨跨中在100N的集中力作用下,取主梁位移向下为正向上为负。主梁位移的实测数据与两种单元建立的有限元模型的计算结果进行对比分析,以确定ANSYS中自锚式悬索桥主梁的合理分析单元。

依据结构对称性原则,模型试验过程中选取了全桥二分之一的主梁进行静力响应分析,主梁位移测点分别位于左边跨1/2,中跨1/4、中跨1/2。

图2给出了全桥主梁位移计算值与实测值的对比曲线。由图2可见,采用BEAM4单元的主梁位移计算结果与实测值接近,最大相对误差约为7.1%;采用BEAM188单元的计算结果的误差较大,测点位置的误差均超过10%,且在中跨跨中误差更是达到57.6%。且由图2可以看出两种单元建立的有限元分析模型的最大位移值均出现在跨中位置;中跨跨中在100N的集中力作用下,采用BEAM4单元的模型边跨跨中位移为-0.2808mm,中跨跨中位移为0.1082mm, 采用BEAM188单元的模型边跨跨中位移为-0.2054mm,中跨跨中位移为0.3306mm。

结论

利用ANSYS建立混凝土自锚式悬索桥缩尺模型时,主梁采用BEAM4单元和BEAM188单元建立的计算模型中跨跨中在100N的集中力的作用下位移值均较小,且位移最大值均出现在跨中位置。采用BEAM4单元建立的模型在集中力的作用下主梁位移值明显小于采用BEAM188单元建立的模型,且与实测值较为接近,因此认为采用BEAM4单元模拟主梁比采用BEAM188单元的精度更高,可为后续研究混凝土自锚式悬索桥缩尺模型提供一定的参考。

参考文献:

[1].沈锐利,齐东春,唐茂林. 杭州江东大桥静力特性全桥模型试验研究[J]. 土木工程学报, 2011(1): 74-80.

[2].钟慧. 大连星海湾跨海大桥主桥模型设计及试验研究[D]. 大连: 大连理工大学, 2013.

[3].王桢. 超大跨径自锚式悬索桥几何非线性行为理论与试验性能研究[D]. 重庆交通大学, 2013.

[4].张达. 非对称独塔自锚式悬索桥施工过程分析及其模型试验设计[D]. 北京工业大学, 2013.

[5].万利军, 单炜, 袁建新. 自锚式悬索桥静力特性模型试验研究[J]. 公路交通科技, 2014, 31(6):108-114.

[6].王桢,吴海军,周志祥,等. 大跨径自锚式悬索桥吊索索力相邻影响分析[J]. 土木工程学报, 2016(6): 51-60.

[7].陈浩. 大跨径空间缆索体系悬索桥结构性能的对比研究[D]. 2016.

[8].秦凤江,周绪红,梁博文,等. 大跨度自锚式悬索桥主梁钢-混结合段模型试验[J]. 中国公路学报, 2018, 31(09):56-68.

论文作者:邓余杰

论文发表刊物:《城镇建设》2019年第15期

论文发表时间:2019/9/17

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某混凝土自锚式悬索桥模型梁单元建模研究论文_邓余杰
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