基于ANSYS的悬索桥分析.pdf

工程应用五：基于ANSYS 的悬索桥结构有限元分析 基于 ANSYS 的悬索桥结构有限元分析 安伟胜，赵凯，侯光阳，李永乐 （西南交通大学桥梁工程系，四川成都，610031 ，lele@swjtu.edu.cn ） 【摘 要】：首先介绍了悬索桥的总体布置和构造特点；然后阐述了悬索桥的结 构受力基本特征；接着介绍了悬索桥主缆内力和主缆线形的确定方法，并提供了 悬索桥找形命令流以供建模参考；接着交代了本团队ANSYS建模的基本要求及注 意事项；最后，结合本团队科研项目工作要求具体讲述了利用ANSYS软件进行悬 索桥建模过程，每个建模步骤中均列举了简单例子以供参考。 【关键词】：悬索桥；ANSYS ；应力刚化；大变形；集中质量矩阵 1 悬索桥构造简介[1] 悬索桥又称吊桥，它以大缆（或叫作主缆）、锚锭和索塔为主要承重构件， 以加劲梁、吊索、鞍座等为辅助构件，适合于大跨或特大跨度桥梁。悬索桥的一 般布置形式及主要结构组成如图 1-1 所示。 图 1-1 悬索桥一般布置形式及主要结构组成示意图 与其他桥式相比，悬索桥有以下优势： 1）随着跨度的增加，悬索桥的材料用量和截面增量比其他桥型要小得多。 2 ）构件设计方面，悬索桥的大缆、锚锭和索塔三项主要承重构件在扩充其 截面面积或承载能力方面所遇到的问题较小。 3 ）作为主要承重构件的大缆承受拉力，从力学角度看，具有非常合理的受 力形式。 4 ）施工方面，悬索桥一般先将大缆架好，大缆即成为现成的悬吊式脚手架， EngApp-005 ，SWJTU 1 李永乐@ 西南交通大学桥梁工程系，四川成都(610031) 便于施工。 5 ）此外，悬索桥的大跨度、优美的外形和造价的经济性，使得其在桥梁工 程界越来越受重视。 悬索桥也有一些缺点：由于悬索是柔性结构，刚度较小，当活载作用时，悬 索会改变几何形状，引起桥跨结构产生较大的挠曲变形；在风荷载、车辆冲击荷 载等动荷载作用下容易产生振动。 1.1 桥塔 桥塔也称主塔，它是支承主缆的主要构件，分担主缆所受的竖向荷载（包括 桥面、加劲梁、吊索、主缆及其附属结构如塔顶鞍座和索夹等重量），并传递到 下部的塔墩和基础。另外，在风荷载和地震荷载的作用下，还可对全桥的总体稳 定提供安全保证。按采用材料分，桥塔有混凝土塔和钢塔，因混凝土塔价格较低， 一般都采用混凝土桥塔。按桥塔外形分，在横桥向一般有刚构式，桁架式和混合 式三种结构形式，如图 1-2 所示。刚构式简洁明快，可用于钢桥塔或混凝土桥塔， 桁架式和混合式由于交叉斜杆的施工对混凝土桥塔有较大困难，只能用于钢桥 塔。在顺桥向，按力学性质可分刚性塔、柔性塔和摇柱塔三种结构形式。刚性塔 可做成单柱形或 A 字形，一般多用于多塔悬索桥中，可提高结构纵向刚度，减 小纵向变位，从而减小梁内应力；柔性塔允许塔顶有较大的变位，是现代悬索桥 中最常用的桥塔结构，一般为塔柱下端做成固结的单柱形式；摇柱塔为下端做成 铰接的单柱形式，一般只用于跨度较小的悬索桥。 (a) 桁架式 (b) 刚构式 (c) 混合式 图 1-2 桥塔横桥梁示意图 1.2 主缆 主缆是通过塔顶的鞍座悬挂于主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构 件，主缆本身又通过索夹和吊索承受活载和加劲梁（包括桥面）的恒载，除此之 外，它还分担一部分横向风荷载并将它直接传递到塔顶。主缆的布置形式一般是 采用每桥两根，平行布置于加劲梁两侧吊点之上。现代大跨度悬索桥多采用平行 钢丝主缆，它是由平行的高强、冷拔、镀锌钢丝组成。钢丝直径大都在 5mm 左 右。根据主缆承受拉力的大小，每根主缆可以包含几千根乃至几万根钢丝。为便 于施工安装和锚固，主缆通常被分成束股编制架设（一般每根主缆可分成几十乃 至几百股，每股内的丝数大致相等），并在两端锚碇处分别锚固。为了保护钢丝， En