基于ansys的无抗风缆猫道静风稳定性研究.docx

基于ansys的无抗风缆猫道静风稳定性研究 “猫路”是一座大型横跨道路上的临时建筑，是一种不可忽视的大型柔性结构和风敏感结构。在风荷载作用下其产生的变位及振动对主缆施工架设的精度和稳定性以及施工人员的舒适度和安全等有较大影响。以往大跨径悬索桥施工中,多采用设置抗风缆措施提高猫道的抗风稳定性,近来为了加快施工进度、降低费用和保证正常的通航要求,均使用不设抗风缆的猫道。相关研究表明,无抗风缆猫道的抗风稳定性主要取决于抗静风稳定性。 桥梁静风稳定性的研究方法已经从全模型风洞试验发展到节段模型风洞试验与数值计算相结合;研究的精度已经发展到同时考虑几何非线性、材料非线性和气动非线性[4,5,6,7,8,9,10,11,12],研究手段从自编有限元程序发展到对大型商业软件进行二次开发。随着悬索桥跨度的不断增大,组成猫道的构件对猫道抗静风稳定性的影响越来越受到关注。基于此,本文以国内最大跨径悬索桥为载体,考虑猫道的几何非线性和气动非线性,结合节段模型风洞试验结果,对有限元软件ANSYS进行二次开发,研究大跨径悬索桥无抗风缆施工猫道的静风稳定性及其相关因素的影响规律。 1 猫道静风荷载计算方法 作用在猫道上的静风荷载可分为横向风载(阻力)FH,竖向风载(升力)FV和扭转力矩M。在静风作用下,结构的姿态发生改变,静风与猫道截面的相对攻角随之改变,静力三分力系数随风攻角变化而改变,如图1所示。同时平均风速也随着猫道的变形而改变,因此引入有效风攻角和有效风速的概念,将静风荷载表示为有效风速、三分力系数和有效风攻角的函数,具体表示为 FH=12ρHLU2(h)CH(α)(1)FΗ=12ρΗLU2(h)CΗ(α)(1) FV=12ρBLU2(h)CV(α)(2)FV=12ρBLU2(h)CV(α)(2) M=12ρB2LU2(h)CM(α)(3)Μ=12ρB2LU2(h)CΜ(α)(3) 式中:ρ为空气密度;H,L和B分别为在静风计算中猫道节段的高度、长度和宽度;U为有效风速,是空气来流的平均风速,本文以桥面高度处风速为基准,采用指数率换算猫道各计算点处的风速;h为猫道静风计算全过程分析中风力作用点的高度;CH,CV和CM分别为节段模型试验测得的阻力系数、升力系数和力矩系数;α为有效风攻角,取为静风初始攻角与猫道截面扭转角之和,并约定猫道迎风侧高于背风侧时风攻角为正。 对静风荷载采用上述描述,既反映了猫道上空气静力三分力随风速和结构空间变形变化而改变的非线性特征,又反映了静风荷载空间分布的不均匀性,从而比较准确地反映了猫道静风荷载的真实特点,在计算中能够很方便地引入静风荷载的非线性行为特征。 由于猫道受到几何非线性和静风荷载非线性的双重非线性影响,因而只有进行风速加载的全过程分析才能获得结构真实的空气静力失稳风速。猫道空气静力稳定性问题的求解在力学上仍然可以按照杆系结构空间第二类稳定理论进行,最终可归结为求解如下形式的非线性方程组: (Ke(u)+Kg(u))·U=P(FH,FV,M) (4) 式中:Ke(u)和Kg(u)分别为猫道结构的线弹性刚度矩阵和几何刚度矩阵;U是节点位移向量;P(FH,FV,M)是包括阻力、升力和力矩在内的总的风荷载。 由式(1)—式(4)可知,风荷载随结构的变形和作用点高度的变化而变化,同时结构刚度矩阵也随结构的变形而变化,这些非线性特征决定了猫道静风稳定问题的求解必须将风速分级处理,在各级风速作用下进行分析时,还必须对静风荷载设置迭代循环以控制静风荷载的收敛。因此,借助大型有限元计算程序ANSYS进行分析。首先需要利用增量法将风速按一定步长增加以跟踪猫道变形发展的全过程,并根据需要适时调整步长以搜索猫道的临界失稳风速。其次在分析各级风速作用下结构的稳定时需要设置双重迭代循环,内层循环使用ANSYS的Newton-Raphson迭代法,并考虑猫道结构的非线性特征,计算固定荷载作用下的结构几何大变形,寻求结构的静平衡状态;外层循环则考虑静风荷载的非线性影响,通过对静风荷载进行迭代寻求结构在变化荷载作用下的动平衡位置。当在设定的风速步长范围内以及设定的迭代次数内出现ANSYS计算不收敛的情况,则认为猫道开始失稳,其具体步骤如图2所示。 2 投资主体结构及荷载分析 东海某大跨径悬索桥是浙江舟山大陆连岛工程中1座特大跨径悬索桥,其走向由北向南,北连册子岛,南接金塘岛,跨径布置为578 m+1 650 m+485 m,是主跨为1 650 m的2跨连续漂浮体系的钢箱梁悬索桥,钢箱梁连续总长为2 228 m。主跨跨径居世界第二,国内第一。它也是世界第一大跨分体式钢箱梁悬索桥。猫道在横桥向对应于主缆中心线在其下方各设一幅,边跨侧猫道距主缆中心线铅垂方向1.7 m,中跨侧猫道距主缆中心线1.5 m,设计宽度4.0 m。其主要由