如何用Midas/Civil进行悬索桥分析

2016-10-27 by:CAE仿真在线来源:互联网

Midas/Civil是桥梁工程专业后续学习、日后从事设计工作最常用的专用有限元设计分析软件之一,如果在本科阶段即开始学习并逐渐应用,对后续学习及日后的工作将大有帮助。

在学习阶段的各种设计练习及实际工作中,可能会经常遇到悬索桥的设计计算。本文结合笔者自身体验,叙述Midas/Civil计算悬索桥的基本步骤及使用中的心得技巧和注意事项。注:本文以Midas/Civil 2012为参照版本。

Midas/Civil计算悬索桥中的关键问题在于初始成桥线性的确定,这是由于悬索桥为大变形二阶柔性结构决定的。其分析过程及每步中的要点如下:

1.建立新文件,为了便于区分和查找,建议命名时加入文件创建日期及文件主要特征等信息;

2.按照初步设计,定义主缆、桥塔、横梁、加劲梁、横隔板等部件的材料及截面特性值;

3.在结构-悬索桥按钮点出“悬索桥建模助手”,在其中输入相关信息,利用建模助手功能生成初步模型以便后续修改。在此需指出,利用悬索桥建模助手可以确定索单元大致的初始内力,利于后面的精细分析。实际上也完全可以自行建立悬索桥的全部梁、索单元,再进行非线性分析控制和迭代,但该步骤比较繁琐,因此一般推荐采用悬索桥建模助手生成初步模型;

在建模助手中有几个要点和技巧:

1) 建模助手采用的默认对象是双塔三跨悬索桥。当建立的模型为双塔单跨悬索桥时,可以在边跨长度框内输入一个很小的数值(如1e-6),一般在Midas/Civil中,距离小于1e-5的节点将被合并,从而达到实际只建立了中跨的效果;

2) 桥面系宽度,在桥塔竖直、索面竖直时指的是桥塔间距,也即主缆间距、吊杆吊点间距,在索面倾斜或桥塔倾斜时,一般理解为吊杆在加劲梁上的吊点间距更加方便;

3) 桥面系单位重量,此处输入的单位重量必须等于加劲梁的自重加上二期恒载等以梁单元均布荷载形式施加给加劲梁单元的梁单元荷载的和,否则后面难以计算收敛。另外,当建立的模型为双塔单跨悬索桥时,应勾选此处“详细”对话框,并在对话框中分别设置边、中跨桥面系荷载集度,为了便于收敛,可以将实际不存在的边跨设置一个非常小的集度,如1e-6;

4) 其余各项按照对话框要求及初步设计填写即可,点击“实际形状”,会给出初步计算的主缆横向内力,该值应该记下,以便在后面悬索桥分析控制中使用;

5) 填写完成后建议命名并保存该wzd文件,以便后面再修改或重复利用。

4.建模助手填写完毕后,点击“确定”,即开始进行第一轮悬索桥生成时的初步非线性分析计算,根据悬索桥复杂程度不等,通常该过程会持续数秒到数十秒,此时宜耐心等待。该过程运行结束后,程序会自动生成几何刚度初始荷载,并自动生成“自重”荷载工况;

5.悬索桥建模助手生成的是程序默认形式的地锚式竖直索面悬索桥,此时我们需根据实际桥梁情况进行修改:比如自锚式悬索桥、空间主缆悬索桥、单塔悬索桥等,修改的内容包括节点位置、边界条件、构件连接情况及荷载等。为了后文操作方便,建议给主缆、桥塔、横梁、加劲梁、横隔板等部件分别建立结构组,并通过选择和拖放功能赋予相应节点单元,然后再建立三个结构组:更新节点组、垂点组合所有结构。更新节点组选中主缆上除了主缆锚固端以外的所有节点,包括塔顶节点;垂点组选择塔顶节点和跨中主缆最低点。注意垂点组中的节点实际在计算中坐标是不允许变化的,但根据程序编制要求,也要包含在更新节点组中;(选择和拖放是midas非常具有细节操作技巧的功能,欢迎交流)

6.点击分析-悬索桥,对控制参数进行修改。控制参数中有两个参数:迭代次数和收敛误差,这两个参数的含义是:在迭代次数范围内,达到收敛误差或尚未到达收敛误差但迭代次数已到设定值,均会停止迭代。因此若计算时觉得精度不够,可以提高迭代次数(如50次甚至更大)并减小收敛误差(如1e-6甚至更小),这要根据经验和试算加以确定;

7.进行分析。分析过程中注意观察信息窗口中的信息,确认收敛。收敛完成后将提供平衡单元节点内力数据;

8.为了确定悬索桥精确分析是否有效,应该定义一个“一次成桥”施工阶段。该阶段激活所有的结构组、荷载组、边界组(还可能有钢束组)。删除“悬索桥分析数据”,定义“施工阶段分析数据”,勾选“考虑非线性分析/独立模型”,并勾选“使用平衡单元节点内力”。注意此处必须先删除“悬索桥分析数据”,否则施工阶段分析不予进行;

9.运行施工阶段分析,运行后查看结果判定悬索桥精细分析是否成功。一般比较常用的简单的判断方法是:查看该“一次成桥”施工阶段的位移,在迭代次数和收敛误差控制得较好时,通常该“一次成桥”施工阶段的位移可以达到1e-4甚至更小,设计院中有时会精细到1e-6~1e-7。当该条件满足,表面悬索桥成桥状态的精细分析已经满足要求;

10.此时在成桥以后的分析中,悬索桥的索单元实际已转化为桁架单元进行线性分析,与常规结构的线性分析一样,资不赘述。

以上为笔者常用的方法,亲测有效。欢迎指教、欢迎交流。

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