基于ANSYS的大跨度斜拉桥抗震建模实现性研究

宋晓东

( 中铁二院工程集团有限责任公司,四川成都610031)

随着计算机行业的飞速发展，相应的软件也应运而生。在工程运用中国际上通用软件有几十种，其中常用的软件有：ANSYS、Abaqus、ADINA、SAP2000和NASTRAN等。ANSYS是集结构、热、流体、电磁场、声场和耦合场等分析于一体的最优秀的大型通用有限元软件之一。通过40年的发展，ANSYS已经被全球工业界所接受，同时成为土木工程、水利工程、航空航天和能源等领域的主流分析软件[1-3]。 一般情况下，大跨度斜拉桥结构系统的几何结构相当复杂，受到各种荷载(地震荷载、风荷载、车辆荷载等)也相当多，理论分析往往难于进行。通过ANSYS数值模拟方法对大跨度斜拉桥进行抗震分析，可以得出结构关键部位在地震动作用的动力响应及其变化规律。为大跨度斜拉桥的抗震设计提供理论依据和支持。

1 大跨度斜拉桥建模单元选择及介绍

1.1 ANSYS模拟大跨度斜拉桥常用单元

桥塔和主梁单元：beam4、beam44、beam188

拉索单元：link8、link10

质量单元： mass21

阻尼器及弹簧单元：conbin14、conbin39

1.2 大跨度斜拉桥常用单元介绍[4]

单元beam4：

每个单元连接I节点和J节点，I、J节点的连线方向为单元X轴方向，K节点为beam4单元的方向控制点(图1)。

图1 beam4单元几何结构

在定义方向点后，单元坐标的方向与不定义方向点的单元坐标有所变化。定义方向点后单元坐标轴Y轴垂直与I、J、K所在平面。在实常数输入的时候要特别注意Izz、Iyy的方向，否则会给计算带来严重错误。在桥梁分析中beam4单元实常数如下：

AREA, IZZ, IYY, TKZ, TKY, THETA

ISTRN, IXX, SHEARZ, SHEARY, SPIN, ADDMAS

一般情况只需输入四个常数(AREA, IZZ, IYY, IXX)就能满足计算要求。

定义命令如下：

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

NSET表示定义实常数标号；R1到R6分别对应AREA, IZZ, IYY, TKZ, TKY, THETA；对应后面实常数系数ISTRN, IXX, SHEARZ, SHEARY, SPIN, ADDMAS用R mORE命令。格式如下：

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

对于实常数更多的单元，后面连续用RMORE命令。

定义单元、实常数和材料属性

ET,1,beam4 定义单元类型

R,1, AREA, IZZ, IYY,,,, 定义实常数

RMORE,, IXX

MP,dens, 1,C0,C1,C2,C3,C4定义材料密度

MP,prxy, 1,C0,C1,C2,C3,C4定义材料泊松比

MP,ex, 1,C0,C1,C2,C3,C4定义材料弹性模量

对于beam44单元可以参考上面beam4单元的实常数方法输入，在输入变截面梁单元时，可以用以下组合命令读入扩展名为sect的截面信息。

SECTYPE,1,BEAM,RECT, 1 矩形截面1(节点I端截面)

SECDATA,5,5 截面1尺寸定义

SECTYPE,2,BEAM,RECT,2 矩形截面2(节点J端截面)

SECDATA,30,30 截面2尺寸定义

定义I、J两端截面后,再定义变截面

SECTYPE,3,TAPER,,

SECDATA,1,,,,

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

Secnum, 3

如果定义了截面，那么就不能再定义实常数，因为实常数的级别优先于截面命令。ANSYS在计算时会只按定义的实常数截面特性进行计算，这是需要定义个空实常数R。

link8、link10单元用于模拟斜拉索其实常数输入面积和应变。

mass21模拟桥面铺装层和压重等。

Combin14单元可以模拟线性粘滞阻尼器和弹簧单元[5-6]。

线性粘滞阻尼器理论公式：F=C×V

式中：F为阻尼力；C为阻尼常数；V为相对速度。

定义实常数如下：

R，NSET ，K, CV1

K表示弹簧刚度；CV1表示线性阻尼器阻尼常数

ANSYS弹簧和阻尼器必须分开定义但是可以共用单元两端节点。只定义弹簧时CV1=0；只定义阻尼器时K=0。同时需设置conbin14单元参数keyopt,,1,0；keyopt,,2,0；keyopt,,3,0。

2 基于ANSYS显示动力分析的非线性粘滞阻尼器模拟实现

一般ANSYS分析很难直接模拟非线性粘滞阻尼器速度与阻尼力的关系，本文基于ANSYS显示动力分析APDL二次开发来实现非线性粘滞阻尼器的模拟，选用显示动力单元conbi165模拟非线性阻尼器。

非线性粘滞阻尼器理论公式：F=C×Vε

式中：F为阻尼力；C为阻尼常数；V为相对速度；ε为阻尼指数。

图2、图3是模拟C和ε取不同值时非线性阻尼器速度与力的关系曲线。

图2 C=16 000、ε=0.5非线性阻尼器 速度与力关系曲线

图3 C=16 000、ε=0.1非线性阻尼器 速度与力关系曲线

!--定义非线性阻尼器参数------

!定义粘滞阻尼器速度-力曲线

!输入非线性粘滞阻尼器阻尼常数和指数常数

c= !阻尼器系数

k1= !阻尼指数

v= !相对速度的绝对值

!F1=c*v**k1 c阻尼器常数、k1阻尼指数

*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轴范围

/axlab,x,Velosity(m/s) !控制X轴输出名

/axlab,y,Force(N)

EDCURVE,plot,1,velocity,force

!输出速度与力关系曲线

调用以上阻尼器参数曲线命令如下：

mp,ex,1，，

mp,prxy,1,，

mp,dens,1,，

tb,discrete,1,,,4

tbdata,1,1

3 算例

大跨度斜拉桥全长1 610 m，采用双塔双索面钢箱梁斜拉桥，跨度布置(70.5+215.5+680+245.5+70.5) m。桥面宽度为26 m，钻石型钢筋混凝土桥塔，承台以上塔高231 m。地震波采用《场地地震安全性评价报告》中提供的地震动参数，共9组地震波。根据桥梁结构的总体构造布置，运用大型通用软件ANSYS中ls-dyna模块建立三维有限元模型(图4)，主梁、塔、边墩、辅助墩和桩基础用空间梁单元Beam161模拟；斜拉索用空间桁架单元Link167模拟，各墩位的桩基则按实际构造布置；非线性粘滞阻尼器采用采用单元Combin165模拟。本文9组地震波中分3个超越概率，其中50年超越10 %、100年超越10 %和100年超越2 %各3组地震波，每组波包含2组天然波和1组人工波。非线性时程分析结果取同一超越概率下地震响应最大值的平均值。

图4 有限元模型

地震作用下塔底纵向剪力、塔底横向弯矩、阻尼器阻尼力、塔底弯矩时程响应分别为图5～图8。

图5 塔底纵向剪力

图6 塔底横向弯矩

图7 阻尼器阻尼力

图 8 塔底弯矩时程

4 结束语

本文基于ANSYS大型通用有限元软件对大跨度斜拉桥抗震分析建模中单元的选择、建模过程容易引起错误的实常数的输入和线性、非线性粘滞阻尼器模拟的实现做了一些介绍。同时，利用ANSYS的APDL参数设计语言二次开发功能对非线性粘滞阻尼速度与力关系曲线进行参数化设计，在以后的计算中只需要修改阻尼常数和阻尼指数的具体值就可以实现该阻尼器的力学性能描述，为以后大跨度斜拉桥抗震数值分析中阻尼器的模拟提供参考。

[1] 博创科技. ANSYS融会与贯通[M].北京：中国水利水电出版社,2002

[2] 卫星，强士中. 利用ANSYS实现斜拉桥非线性分析[J].四川建筑科学研究,2003，(4)

[3] 邢静忠，王永岗. ANSYS分析实例与工程应用[M].机械工业出版社,2004

[4] 王新敏 .ANSYS工程数值分析[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