基于ANSYS的大跨度斜拉橋抗震建模實現性研究

宋曉東

( 中鐵二院工程集團有限責任公司,四川成都610031)

隨著計算機行業的飛速發展，相應的軟件也應運而生。在工程運用中國際上通用軟件有幾十種，其中常用的軟件有：ANSYS、Abaqus、ADINA、SAP2000和NASTRAN等。ANSYS是集結構、熱、流體、電磁場、聲場和耦合場等分析于一體的最優秀的大型通用有限元軟件之一。通過40年的發展，ANSYS已經被全球工業界所接受，同時成為土木工程、水利工程、航空航天和能源等領域的主流分析軟件[1-3]。 一般情況下，大跨度斜拉橋結構系統的幾何結構相當復雜，受到各種荷載(地震荷載、風荷載、車輛荷載等)也相當多，理論分析往往難于進行。通過ANSYS數值模擬方法對大跨度斜拉橋進行抗震分析，可以得出結構關鍵部位在地震動作用的動力響應及其變化規律。為大跨度斜拉橋的抗震設計提供理論依據和支持。

1 大跨度斜拉橋建模單元選擇及介紹

1.1 ANSYS模擬大跨度斜拉橋常用單元

橋塔和主梁單元：beam4、beam44、beam188

拉索單元：link8、link10

質量單元： mass21

阻尼器及彈簧單元：conbin14、conbin39

1.2 大跨度斜拉橋常用單元介紹[4]

單元beam4：

每個單元連接I節點和J節點，I、J節點的連線方向為單元X軸方向，K節點為beam4單元的方向控制點(圖1)。

圖1 beam4單元幾何結構

在定義方向點后，單元坐標的方向與不定義方向點的單元坐標有所變化。定義方向點后單元坐標軸Y軸垂直與I、J、K所在平面。在實常數輸入的時候要特別注意Izz、Iyy的方向，否則會給計算帶來嚴重錯誤。在橋梁分析中beam4單元實常數如下：

AREA, IZZ, IYY, TKZ, TKY, THETA

ISTRN, IXX, SHEARZ, SHEARY, SPIN, ADDMAS

一般情況只需輸入四個常數(AREA, IZZ, IYY, IXX)就能滿足計算要求。

定義命令如下：

R,NSET,R1,R2,R3,R4,R5,R6

NSET表示定義實常數標號；R1到R6分別對應AREA, IZZ, IYY, TKZ, TKY, THETA；對應后面實常數系數ISTRN, IXX, SHEARZ, SHEARY, SPIN, ADDMAS用R mORE命令。格式如下：

RMORE,R7,R8,R9,R10,R11,R12

對于實常數更多的單元，后面連續用RMORE命令。

定義單元、實常數和材料屬性

ET,1,beam4 定義單元類型

R,1, AREA, IZZ, IYY,,,, 定義實常數

RMORE,, IXX

MP,dens, 1,C0,C1,C2,C3,C4定義材料密度

MP,prxy, 1,C0,C1,C2,C3,C4定義材料泊松比

MP,ex, 1,C0,C1,C2,C3,C4定義材料彈性模量

對于beam44單元可以參考上面beam4單元的實常數方法輸入，在輸入變截面梁單元時，可以用以下組合命令讀入擴展名為sect的截面信息。

SECTYPE,1,BEAM,RECT, 1 矩形截面1(節點I端截面)

SECDATA,5,5 截面1尺寸定義

SECTYPE,2,BEAM,RECT,2 矩形截面2(節點J端截面)

SECDATA,30,30 截面2尺寸定義

定義I、J兩端截面后,再定義變截面

SECTYPE,3,TAPER,,

SECDATA,1,,,,

SECDATA,2,,50 截面由1變到2,位置由(0,0,0)變到(0,50,0)

Secnum, 3

如果定義了截面，那么就不能再定義實常數，因為實常數的級別優先于截面命令。ANSYS在計算時會只按定義的實常數截面特性進行計算，這是需要定義個空實常數R。

link8、link10單元用于模擬斜拉索其實常數輸入面積和應變。

mass21模擬橋面鋪裝層和壓重等。

Combin14單元可以模擬線性粘滯阻尼器和彈簧單元[5-6]。

線性粘滯阻尼器理論公式：F=C×V

式中：F為阻尼力；C為阻尼常數；V為相對速度。

定義實常數如下：

R，NSET ，K, CV1

K表示彈簧剛度；CV1表示線性阻尼器阻尼常數

ANSYS彈簧和阻尼器必須分開定義但是可以共用單元兩端節點。只定義彈簧時CV1=0；只定義阻尼器時K=0。同時需設置conbin14單元參數keyopt,,1,0；keyopt,,2,0；keyopt,,3,0。

2 基于ANSYS顯示動力分析的非線性粘滯阻尼器模擬實現

一般ANSYS分析很難直接模擬非線性粘滯阻尼器速度與阻尼力的關系，本文基于ANSYS顯示動力分析APDL二次開發來實現非線性粘滯阻尼器的模擬，選用顯示動力單元conbi165模擬非線性阻尼器。

非線性粘滯阻尼器理論公式：F=C×Vε

式中：F為阻尼力；C為阻尼常數；V為相對速度；ε為阻尼指數。

圖2、圖3是模擬C和ε取不同值時非線性阻尼器速度與力的關系曲線。

圖2 C=16 000、ε=0.5非線性阻尼器 速度與力關系曲線

圖3 C=16 000、ε=0.1非線性阻尼器 速度與力關系曲線

!--定義非線性阻尼器參數------

!定義粘滯阻尼器速度-力曲線

!輸入非線性粘滯阻尼器阻尼常數和指數常數

c= !阻尼器系數

k1= !阻尼指數

v= !相對速度的絕對值

!F1=c*v**k1 c阻尼器常數、k1阻尼指數

*DIM,velocity,array,401,1,1

*DIM,force,array,401,1,1

*do,i,1,401,1

velocity(i,1,1)=-v+(2*v/400)*(i-1)

force(i,1,1)=c*velocity(i,1,1)**k1

*enddo

velocity(201,1,1)=0

force(201,1,1)=0

EDCURVE,add,1,velocity,force

/xrange,-v,v !控制X軸范圍

/axlab,x,Velosity(m/s) !控制X軸輸出名

/axlab,y,Force(N)

EDCURVE,plot,1,velocity,force

!輸出速度與力關系曲線

調用以上阻尼器參數曲線命令如下：

mp,ex,1，，

mp,prxy,1,，

mp,dens,1,，

tb,discrete,1,,,4

tbdata,1,1

3 算例

大跨度斜拉橋全長1 610 m，采用雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨度布置(70.5+215.5+680+245.5+70.5) m。橋面寬度為26 m，鉆石型鋼筋混凝土橋塔，承臺以上塔高231 m。地震波采用《場地地震安全性評價報告》中提供的地震動參數，共9組地震波。根據橋梁結構的總體構造布置，運用大型通用軟件ANSYS中ls-dyna模塊建立三維有限元模型(圖4)，主梁、塔、邊墩、輔助墩和樁基礎用空間梁單元Beam161模擬；斜拉索用空間桁架單元Link167模擬，各墩位的樁基則按實際構造布置；非線性粘滯阻尼器采用采用單元Combin165模擬。本文9組地震波中分3個超越概率，其中50年超越10 %、100年超越10 %和100年超越2 %各3組地震波，每組波包含2組天然波和1組人工波。非線性時程分析結果取同一超越概率下地震響應最大值的平均值。

圖4 有限元模型

地震作用下塔底縱向剪力、塔底橫向彎矩、阻尼器阻尼力、塔底彎矩時程響應分別為圖5～圖8。

圖5 塔底縱向剪力

圖6 塔底橫向彎矩

圖7 阻尼器阻尼力

圖 8 塔底彎矩時程

4 結束語

本文基于ANSYS大型通用有限元軟件對大跨度斜拉橋抗震分析建模中單元的選擇、建模過程容易引起錯誤的實常數的輸入和線性、非線性粘滯阻尼器模擬的實現做了一些介紹。同時，利用ANSYS的APDL參數設計語言二次開發功能對非線性粘滯阻尼速度與力關系曲線進行參數化設計，在以后的計算中只需要修改阻尼常數和阻尼指數的具體值就可以實現該阻尼器的力學性能描述，為以后大跨度斜拉橋抗震數值分析中阻尼器的模擬提供參考。

[1] 博創科技. ANSYS融會與貫通[M].北京：中國水利水電出版社,2002

[2] 衛星，強士中. 利用ANSYS實現斜拉橋非線性分析[J].四川建筑科學研究,2003，(4)

[3] 邢靜忠，王永崗. ANSYS分析實例與工程應用[M].機械工業出版社,2004

[4] 王新敏 .ANSYS工程數值分析[M].北京：人民交通出版社,2007

[5] ANSYS UIDL Programmer’s Guide [M]. SAS IP, Inc., 1981

[6] ANSYS APDL 使用指南[M].SAS IP, Inc ,1981