人行索桥有限元分析及荷载试验.pdf

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1、1重点概念说明2人行索桥模型的建立3静力加载计算说明4其他索结构的分析方法简介CONTENTS1.重点概念说明1.桥梁结构体系以受弯为主的主梁作为主要承重构件的桥梁。梁桥：以承受轴向压力为主的拱(称为主拱圈)作为主要承重构件的桥梁。拱桥：斜拉桥：由主梁（弯）、斜拉索（拉）以及索塔（压）等部分组成。悬索桥：以承受拉力的缆索或链索作为主要承重构件的桥梁。跨越能力：悬索桥 斜拉桥 拱桥 梁桥2.世界桥梁之最最大跨径的斜拉桥：俄罗斯岛大桥1104m最大跨径的悬索桥：日本明石海峡大桥 1991m最大跨径的拱桥：重庆朝天门长江大桥 552m最大跨径的梁桥：重庆石板坡长江大桥（复线桥）330m3.悬索桥的特

2、点 优点：缺点：由于悬索桥可以充分利用材料的强度，并具有用料省、自重轻的特点，因此悬索桥在各种体系桥梁中的跨越能力最大。悬索桥的主要缺点是刚度小，在荷载作用下产生较大变形，需要考虑风荷载的影响。4.悬索桥的结构体系 自锚式悬索桥：悬索桥助主缆锚固于主梁，由于主缆的水平分力，主梁具有巨大的轴力，随着跨度增加，主梁轴力增大，对主梁的稳定性越不利。地锚式悬索桥：主缆水平力直接通过巨大的锚碇传递至大地，主梁内几乎没有轴向力。5.悬索桥分析的特殊性 常规结构：索结构：小位移分析，不考虑结构变形对结构内力的影响，结构计算基于变形前的状态进行分析。大位移分析，需要考虑结构变形对于结构内力分布的影响，结构计算

3、往往需要进行迭代计算找到平衡态，进而得到结构的最终的内力状态。平衡态(变形前状态)+荷载=结构内力等寻找平衡态（迭代计算）+最终平衡态(收敛状态)+荷载=结构内力等5.悬索桥分析的特殊性 悬索桥结构找形中的不变量（已知量）：主梁线形属于道路线形的一部分，属于不变值。主塔位置根据跨度信息确定，一般刚度较大，几乎不存在大变形。桥面设计荷载已知。悬索桥结构找形中的目标（未知量）：索结构的只受拉特性，存在非常明显的几何非线性效应，其平衡态往往需要根据上面已知条件，迭代计算得到。6.索的模拟 桁架单元小位移，拉压均可 只受拉桁架小位移，只受拉 索单元大位移，只受拉 斜拉桥主跨l：L250 桁架单元250

4、L300 桁架/索单元300L 索单元 系杆拱桥：桁架单元 悬索桥：索单元7.索力的施加 桁架单元：荷载预应力初拉力 索单元：无应力索长单元初拉力荷载预应力初拉力2.有限元模型的建立 本案例为某景区人行索桥，结构形式为双塔单跨地锚式悬索结构，主跨74m，垂跨比1/15，吊杆间距2m，桥面净宽2m。主塔材料为C30混凝土，主梁材料为Q235，梁格结构，桥面跨中预拱度为50cm。人行荷载：3.5Kpa 其他恒载：1.工程概况1.工程概况1.工程概况1.工程概况2.悬索桥模型的建模思路 悬索桥结构中已知量的建模：塔梁建模 悬索桥结构中未知量的建模：主缆、吊杆建模 合并模型 验证平衡Step1：塔梁建

5、模1.塔梁建模 塔梁建模属于基础操作，与常规结构无异，注意与CAD及Excel等第三方程序结合建模等技巧。主梁桥面跨中预拱度为50cm。Step2：索结构建模钢丝绳力学参数主缆索截面索截面 标准级别：一般用途钢丝绳的标准代号：GB/T 20118-2006,是国家推荐使用的标准；重要用途钢丝绳的标准代号：GB 8918-2006,是国家强制使用的标准；使用场合：一般用途钢丝绳适用于机械，建筑、船舶、渔业、林业、矿业、货运索道等行业的圆股钢丝绳；重要用途钢丝绳适用于矿井提升、高炉卷扬、大型浇铸、石油钻井、大型吊装、繁忙起重、索道索道、地面缆车、船舶和海上设施等用途的圆股钢丝绳和异形股钢丝绳；钢丝

6、绳的耐疲劳指标：重要用途钢丝绳使用的制绳钢丝的耐疲劳指标比一般用途钢丝绳的耐疲劳指标高，钢丝绳的寿命长，且重要用途钢丝绳的验收指标也比一般用途严格。钢丝绳的结构：重要用途钢丝绳的结构是针对重要用途场合使用的钢丝绳而规定的，淘汰了落后的结构和高耗能的钢丝绳结构。重要用途钢丝绳和一般用途钢丝绳的区别索截面 公称面积，由钢丝绳的公称破断拉力和强度等级计算出的面积A1；钢丝绳中钢丝横截面积总和，由组成钢丝绳的每一根钢丝的面积累计（不包括非承载填充钢丝）A2；计算结构截面积，根据钢丝绳结构实际直径，直接计算出的面积（这一面积拉伸后会有一些小变化）A3。A有3种取值方法：3种取值方法，A3A2A1索截面索

7、弹模现有研究主要关注和强调结构等因素对钢丝绳弹性模量的影响，认为准确计算钢丝绳的弹性模量是比较困难的，一般需要通过实测方法取得钢丝绳结构的弹性模量。钢丝绳规范一般会根据钢丝绳结构特点，直接给出各种钢丝绳的公称抗拉强度和公称破断拉力，但没有给出的实际钢丝绳弹性模量。钢丝绳吊索应力应变实际弹性模量测试有以下特性点：（1）与捻制结构有关，且不同的结构差异明显；（2）与工艺有关，甚至后期同种规格因补制工艺的偏差，会也造成捻距和直径差别，表现出实测弹模值差别较大；（3）与试验结构长度有关，在同样条件下，不同长度的钢丝绳吊索表现出的应力应变关系实测弹模值不同；（4）与承受拉力有关，同一钢丝绳吊索在不同的拉

8、力区间应力应变不同；钢丝绳吊索应力应变伸长有滞后特点，即与持荷时间有关；（5）放置一段时间后，钢丝绳结构会有所改变，此时复测弹模值也有变化；（6）钢丝绳预张拉后重新成圈，再打开复测，会发现实际弹模值应力应变特性会变化；（7）钢丝绳扭转会改变其长度测量值，但交互捻的钢丝绳一般不会自行扭转；（8）钢丝绳经过预张拉处理后，在一定静载荷下，长度变化与持荷时间t近似符合自然对数关系；（9）钢丝绳经过多次较高荷载张拉后，可以改变结构伸长量，这也是预张拉消除结构伸长的依据；（10）钢丝绳存在结构阻力，张拉端和被动端张力一直存在一个差值；（11）较长的钢丝绳由于结构阻力和自重影响，长度测量会有一定偏差。1.钢

9、丝绳吊索结构实际弹性模量测试伸长特性和长度精度控制.叶觉明1,姚志安2确定索鞍坐标确定垂点坐标确定锚点坐标主缆控制点吊杆下节点宽度/梁塔搭接位置宽度，沿Y正方向生成桥宽。主塔高度，B、D不动，改变塔底坐标。索单元的容重、刚度参数，用于找形计算。用于计算吊杆力每一个吊杆下缘坐标索鞍横向间距：桥宽2*B（Y）锚固点横向间距：桥宽2*A（Y）初步找形由于大位移分析需要经历若干次迭代方能找到平衡态，因此需要借助civil自带的建模助手来完成。坐标确定10336.269333700069331999.71643314433 已知量坐标输入初步找形注 意：1.A A1 B C坐标的输入可选取任意原点，该原

10、点为空间坐标系原点，程序将在空间坐标系中生成各个点2.塔高H1的定义不能小于B-A1值桥面宽桥面宽Y负值Y正值生成空间异形索面 边跨无吊杆及无中间吊杆形式初步找形 主梁预拱度控制初步找形中间跨圆弧水平距离 单位重量的计算注意：单位重量恒载最终将换算为各个吊杆力施加于主缆上，进行主缆找形单位重量应包含所有成桥恒载，保证单位重量恒载与成桥恒载一致是找形成功的关键。也可以直接输入吊杆处的节点荷载进行找形，主要用于桥面恒载分布不均匀的情况初步找形 单塔双跨悬索桥如何进行建模？自锚式悬索桥如何建模？抗风缆如何建模？散索鞍怎么处理？初步找形抗风缆空间异形索面自锚式悬索单主缆双吊杆初步找形初步找形基于建模助

11、手填写已知参数，进行主缆线形的求解。注意：1.建模助手主缆线形的计算是基于节线法。2.正确理解建模助手的算法，是灵活应用该工具的关键。3.桥面系重量的填写，关系到后面计算的成败。初步找形 节线法的核心(1)吊杆仅在横桥向倾斜，垂直于顺桥向。(2)主缆张力沿顺桥向分量在全跨相同。(3)假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状。(4)主缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲梁的恒荷载等为已知量。初步找形 节线法的核心A1fTxFiliTx*f=A1*L-Fi*LiLTx/A1=li/H1第一节点：Tz1/Tx=H1/li第二节点：A1TxliH1H1H2FiTz2/

12、Tx=H2/liH1/li*Tx-H2/li*Tx=FiTxA1=Fi*LiA2HliFiA2*L=Fi*Li+Tx*HLTx/A1=li/H1第一节点：A2liH1TxTz1/Tx=H1/li第二节点：Tz2/Tx=H2/liH1/li*Tx-H2/li*Tx=FiH1H2Fi初步找形Step3：合并模型中间吊杆的处理 中间吊杆需要删除，同时去除垂点处节点，否则影响收敛性。注意索单元不能合并，需重新建立。合并模型 将建模助手生成的主缆及吊杆与塔梁模型合并 注意坐标的统一性。Step4：精细化平衡分析精细化平衡分析 合并模型后，根据实际模型的刚度分布及边界情况进行第二次找形。注意：2.当实际荷

13、载工况或边界形式与合并后模型相差很大，则精细化平衡分析将不收敛。1.垂点组尽量设置为空概念补充 几何刚度几何刚度与结构的内力状态相关结构受压时，呈现出几何刚度减小的趋势，结构受拉时，呈现出几何刚度增大的趋势。概念补充 索结构几个陌生的概念考虑所有单元的无应力长度及无应力曲率，只适用于独立模型平衡单元节点力索结构特殊参数验证平衡 建立独立模型一次成桥1.累加模型考虑了各个施工阶段计算结果的叠加，每一次分析都是建立上上一个施工阶段基础之上。2.独立模型只分析当前施工阶段，各个施工阶段相互独立。注意：3.平衡单元节点力用于考虑梁单元的无应力状态。验证平衡 查看平衡态变形各节点位移接近于零，说明程序计

14、算得到的线形几乎接近平衡态验证设计线形 查看平衡态主缆坐标各节点位移接近于零，说明程序计算得到的线形几乎接近平衡态3.静力加载计算说明人行桥的加载方式 规范要求人行桥的加载方式 按跨中内力加载人行桥的加载方式 将移动荷载转化为静载对比结果是否一致，为什么？人行桥的加载方式 索的刚度计算:人行桥的加载方式利用最终施工阶段的索的内力计算索单元的等效刚度，反映到成桥荷载的所有荷载工况计算中，不随成桥荷载工况发生变化:勾选:不勾选:线性静力荷载：考虑恩斯特修正（考虑初始单元内力，以及当前工况对应的几何刚度）：移动荷载:沉降荷载:屈曲分析:反应谱分析:考虑初始单元内力的普通桁架单元人行桥的加载方式 荷载

15、试验无需勾选该项，勾选该项的目的是为了进行荷载组合，保持各荷载工况下单元的几何刚度一致。但此时无法考虑成桥荷载工况对几何刚度的影响，得到结构响应偏大，可用于设计。而荷载试验为得到结构的真实响应，当不勾选该项时，成桥静力荷载在考虑初始单元内力（一般是施工阶段内力）对应几何刚度的基础上，对当前工况进行恩斯特修正迭代，再次修正几何刚度，得到更真实的几何刚度值。进而得到更真实的结果响应。人行桥的加载方式 进行非线性静力分析人行桥的加载方式 按设计荷载加载L/2最大正弯矩L/2最大挠度3L/8最大正弯矩塔底最大弯矩&塔顶最大纵向位移人行桥的加载方式 按设计荷载加载索桥成桥后有一定的坡度，因此桥面不平，导

16、致装水不均匀，很难控制重量，水桶也无法很好固定。L/2最大正弯矩L/2最大挠度3L/8最大正弯矩塔底最大弯矩&塔顶最大纵向位移4.其他索结构分析方法简介人行吊桥1.人行吊桥人行吊桥 桥 宽：净2 米 设计荷载：4.52KN/m2 桥跨桥长：索塔理论交点间距30米，总长46米，垂度1m。桥 型：柔性吊桥人行吊桥人行吊桥初步找形单索精细找形多索精细找形（生成多索初始单元内力）验证平衡人行吊桥带风缆的人行索桥2.带风缆的人行索桥工程概况：结构形式为高架悬索桥，设计主跨为154米，矢高为11米，主桥成桥后中跨垂跨比为：1/14.27。桥面净宽2.0米，横梁长3.0米，桥面结构为三层钢化玻璃组成。主缆采

17、用7根公称直径为40mm、公称抗拉强度为1770MPa的高强度镀锌钢丝绳。抗风主索为1根32钢丝绳，抗风拉索为116，均采用6x19s+IWR型的镀锌钢芯钢丝绳，强度级别1670MPa。带风缆的人行索桥带风缆的人行索桥1.利用建模助手，建立主桥模型并验证平衡。2.利用建模助手，建立抗风缆模型并验证平衡。3.主桥模型与抗风缆模型进行合并。核心：建模助手&精确平衡分析建模流程（助手+找形）带风缆的人行索桥抗风缆找形思路 第一步：第二步：借助建模助手建立单根主缆；旋转单根主缆至设计位置；导入主桥模型主梁，依次连接抗风拉索；镜像一侧抗风缆、抗风拉索。输入平衡荷载，设置精确平衡分析选项；找形，得到抗风缆

18、平衡态模型。带风缆的人行索桥抗风缆建模助手注意：建模助手桥面系荷载与抗风缆力计算值的关系 抗风缆空间垂度换算 抗风缆坐标原点与主桥保持一致带风缆的人行索桥抗风缆平衡态分析注意：抗风缆找形时，主梁材料容重改为较小值 注意输入的竖向荷载数值2带风缆的人行索桥1345施工临时索结构3.施工临时索结构2021/6/2176 施工监控方提供的主缆空缆线形如图：根据空缆线形，确定猫道整体布置：共设置10个横向通道，门架间隔中跨约47m布置一道，边跨约45m一道，门架垂直高度7m，横向宽度4.5m，猫道有效工作宽度4m。施工临时索结构2021/6/2177施工临时索结构2021/6/2178主索的选用:主索

19、钢丝绳直径60mm，637+1纤维芯，q=13.6kg/m，钢丝直径d=2.8mm,钢丝绳面积A=1367mm2，公称抗拉强度1500MPa，破断拉力总和168t。弹性模量Ex=75.6798GPa。缆索自身重力程序自动考虑，起重索和吊钩的重质量通过计算和为0.6t，空载时跑车的质量为1t，吊装构件的重量为 10.4t，单根缆索上的重量为上述重量的一半，即单根缆索上的重量为P0=0.3+0.5+5.2=6t。施工临时索结构2021/6/2179吊装结果跨中起吊时，主索应力最大，其值为395Mpa跨中起吊时，主索最大竖向位移为3.7m。施工临时索结构谢 谢T H A N K SF O RW A T C H I N G