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有限元程序对索单元的模拟计算方法探讨

邓科，李翠，郝海龙，王灿东，郑德江

（中交公路规划设计院有限公司,北京100088）

摘要：本文讨论了目前有限元软件对索单元模拟计算的考虑垂度的Ernst公式刚度折减和考虑初应力效应的

几何刚度方法，并给出了精确描述索单元力学行为的解析方法。根据目前桥梁工程中主缆和斜拉索常用的

力学和尺寸参数进行计算，分析两种模拟计算方法与解析解之间的误差，最后总结了悬索桥和斜拉桥计算

时对主缆和斜拉索应采用的合理的模拟计算方法。

关键词：索单元，垂度，几何刚度

DiscussiononFEMsimulatingmethodofcable

DENGKe,LICui,HAOHai-long,WANGCan-dong,ZHENGDe-jian

(CCCCHighwayConsultantsCO.,Ltd.)

Abstract:Thispaperdiscussedthesimulationofcableelementsandanalyzedwithfiniteelementsoftware.The

simulationofcableelementsconcludedErnststiffnessreductionmethodconsideringsagofcable,geometric

stiffnessmethodconsideringtheeffectofinitialstressandanaccuratemethodofdescriptionforthecable

mechanicalbehaviorwasproposed.Accordingtothecalculationwithmechanicsanddimensionalparameters

commonlyusedinmaincableandstayed-cable,errorsbetweenthesimulationmethodandtheanalyticsolution

wereanalyzed.Finallythereasonablesimulationmethodforthemaincableandstayed-cablewhileanalyzing

suspensionbridgeandcable-stayedbridgewasproposed.

Keywords:cable,sag,geometricstiffness

重力作用下存在垂度；另一方面，结构建模

1概述

都是基于成桥状态模拟结构构形，此时索单

索是指仅有轴向拉压刚度而没有抗弯

元内部存在初应力，这使得索单元的非线性

刚度的受力构件，在桥梁工程中大量应用这

行为非常复杂。在斜拉桥计算时，常采用

种构件，如悬索桥中的主缆、吊索，斜拉桥

Ernst公式对斜拉索刚度进行折减；而悬索桥

中的斜拉索。

计算时又采用有限位移理论，考虑主缆和吊

在桥梁设计时，目前的有限元程序都是

杆的初应力来提高缆索系统的刚度。同样是

将主缆、吊杆和斜拉索采用桁架单元模拟。

索单元，何时考虑刚度折减何时考虑刚度提

一方面，索单元由于其不存在抗弯刚度，在