基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析方法及系统

摘要

本发明公开了一种基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析方法及系统，所述分析方法，包括：S1，将曲线斜拉桥施工分析过程表示为两层循环；S2，采用虚拟单元模拟施工过程结构的变化和体系的变化；S3，在徐变和收缩分析时，采用指数函数模型，基于所述模型建立递推公式进行分析。S4，采用钢束混凝土单元，将所述钢束混凝土单元的灌浆前状态和灌浆后状态分为紧邻的两个阶段；S5、采用拉索单元，模拟张拉过程，将所述拉索单元在锚固前状态和锚固后状态分为紧邻的两个阶段进行分析。本发明实现了分析曲线部分斜拉桥的各种复杂计算，节省时间和人力资源，提高了计算的准确度，尤其将计算分析由二维转向三维，这是结构分析的一大进步。

说明书

技术领域

本发明涉及桥梁建筑设计领域，尤其涉及一种基于曲线斜拉桥专用分析程 序的分析方法及系统。

背景技术

目前仍在使用的QJX系列桥梁结构分析系统，经过不断完善和修改，已经 得到行业的好评。但是它只能对结构进行平面分析，对空间分析问题就没办法。 为弥补这一缺陷，行业中近几年开始引进国外空间分析程序或自编空间分析程 序。如ANSYS、MIDAS。ANSYS由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国 ANSYS开发，它与其他软件有接口，可以实现数据的共享和交换，如AutoCAD、 Pro/Engineer、NASTRAN、Alogor等，是现代产品设计中的高级有限元分析工具 之一。而MIDAS/CIVIL是韩国浦项制铁集团公司研制开发的桥梁专业设计计算软 件，至今在世界上4500多个大型工程项目中得到了广泛的应用，并于2002年获 得国际产品质量体系的验证，该软件在20世纪90年代末引入我国，并采用中国 的交通规范进行编制，是有名的土木工程结构分析与设计软件。这些程序为解 决城市道路、野外桥梁设计计算起到非常关键的作用。

但是针对曲线矮塔斜拉桥这种特殊结构，上述程序还是不能非常全面地分 析结构的受力性能。主要原因如下：

(1)国外软件有代表性的是ANSYS和MIDAS/CIVIL。ANSYS软件功能强大，系统 稳定可靠，是目前应用较为广泛的大型综合有限元分析程序。它可以解决各种 复杂力学计算问题，但它毕竟不是桥梁专业程序，在建模、张拉力、预应力模 拟和施工过程模拟等方面不够专业与方便，计算时间也比较长，还有徐变收缩 因素对预应力损失的影响不易模拟，致使预应力损失计算不准。而MIDAS/CIVIL 梁格单元功能建模很好，预应力输入方便，易于检查。但不能模拟竖向预应力 计算，且无法全面考虑梁单元的抗扭刚度、剪力滞、偏心荷载作用等。

(2)曲线矮塔斜拉桥结构预应力效应影响大，应当进行三向预应力整体分析。 目前大多程序采用空间梁格单元，故无法满足计算要求。

纵观国内外桥梁计算软件可以看出，目前针对矮塔斜拉桥、特别是曲线矮 塔斜拉桥的分析尚无专用空间分析系统。

发明内容

本发明的目的在于提供一种在计算机上执行，基于曲线斜拉桥专用分析程 序的分析方法及系统，从而解决现有技术中存在的前述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析方法，包括以下步骤：

S1，将曲线斜拉桥施工分析过程表示为两层循环，第一层循环为阶段性分析 循环，第二层循环为每个阶段性分析循环内的徐变和收缩分析循环；

S2，采用虚拟单元模拟施工过程结构的变化和体系的变化，在整个模拟施工 过程中保持结构的整体刚度矩阵不变；

S3，在徐变和收缩分析时，采用指数函数模型，基于所述模型建立递推公式 进行分析；

S4，采用钢束混凝土单元，将所述钢束混凝土单元的灌浆前状态和灌浆后状 态分为紧邻的两个阶段，在每一个所述阶段内模拟钢束与混凝土的变形、预应 力的耦合作用；

S5、采用拉索单元，模拟张拉过程，将所述拉索单元在锚固前状态和锚固后 状态分为紧邻的两个阶段，所述张拉过程为在杆单元两端加上张拉力的过程， 在所述锚固前状态阶段不考虑索力只引入位移变形进行分析，在所述锚固后状 态阶段综合索力和位移变形进行分析；

以上步骤中S3、S4、S5执行不分先后。

优选的，S1具体为：

根据设计参数构建钢束混凝土单元、拉索单元和杆单元，模拟桥梁施工过程， 将每一个所述单元的施工过程划分为若干阶段，循环分析所述若干阶段形成所 述阶段性分析循环；为一个所述阶段内的施工过程基于时间步长变化循环分析 徐变和收缩变化形成徐变和收缩分析循环。

优选的，具体包括以下步骤：

a.接收用户输入的初始数据；

b.初始化并建立分块信息，将整个曲线斜拉桥施工过程划分为若干阶段；

c.判断对称循环LO是否小于等于jieduan，如果是则执行d.如果否则执行k.；

d.形成整体刚度矩阵；

e.形成等效结点荷载；

f.判断对时段循环J是否小于等于mt，如果是则执行g.如果否则执行j.；

g.计算徐变增量；

h.计算位移增量；

i.计算应力增量；

j.输出计算结果，执行c.；

k.结束；

其中：jieduan代表阶段数；mt代表该阶段的时间步数。

优选的，所述等效结点荷载包括：自重荷载、面力荷载、变温荷载、强迫位 移处、支座拆除、预应力和张拉力中的部分或全部。

一种基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析系统，包括：

数据获取模块，用于接收用户输入的初始数据；

初始化模块，用于初始化并建立分块信息，将整个曲线斜拉桥施工过程划分 为若干阶段；

对称循环判断模块，用于判断对称循环LO是否小于等于jieduan；如果是则 执行阶段数据处理模块.如果否则结束.；

阶段数据处理模块，用于形成整体刚度矩阵；还用于形成等效结点荷载；

对时段循环判断模块，用于判断对时段循环J是否小于等于mt，如果是则执 行对时段循环数据处理模块，如果否则输出计算结果；

对时段循环数据处理模块，用于计算徐变增量；计算位移增量；计算应力增 量；

计算结果输出模块，用于输出计算结果，执行所述对称循环判断模块；

其中：jieduan代表阶段数；mt代表该阶段的时间步数。

优选的，所述曲线斜拉桥专用分析程序包括：BridgeXLQ程序前处理模块、 程序前端处理模块、程序核心求解器模块、程序后端处理模块、数据参数提供 模块和Ansys接口，所述BridgeXLQ程序前处理模块和所述数据参数提供模块分 别和所述程序前端处理模块连接，所述程序前端处理模块、所述程序核心求解 器模块、所述程序后端处理模块和所述Ansys接口顺序连接。

优选的，所述数据参数提供模块包括：定位线数据提供模块、横断面数据提 供模块、墩、塔数据提供模块和拉索、拉杆数据提供模块，其中所述横断面数 据提供模块还与AutoCAD接口和横断面模板模块连接。

优选的，所述程序核心求解器模块由Fortran语言编写，所述BridgeXLQ程序 前处理模块由Visual C++编写。

优选的，所述AutoCAD接口用于与AutoCAD对接，所述Ansys接口用于与Ansys 对接。

本发明的有益效果是：

本发明实现了分析曲线部分斜拉桥的各种复杂计算，节省时间和人力资源， 提高了计算的准确度，尤其将计算分析由二维转向三维，这是结构分析的一大 进步。

附图说明

图1是本发明的基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析方法的步骤流程图；

图2是本发明中的曲线斜拉桥专用分析程序的组成结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本 发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解 释本发明，并不用于限定本发明。

曲线矮塔斜拉桥结构预应力效应影响大，最好进行三向预应力整体分析。其 它单元(包括板单元)形式理论上都不能解决预应力与结构整体耦合计算问题， 在这里采用实体单元为基本单元，可以分析各种复杂的弯桥现象，还有支座横 向布置受力大小、预应力束周边局部效应、温度引起位移影响、箱梁剪力滞等， 并且无需根据经验公式和规范计算徐变收缩产生的预应力损失。

纵观国内外桥梁计算软件可以看出，目前针对矮塔斜拉桥、特别是曲线矮塔 斜拉桥的分析尚无专用空间分析系统，因此依托曲线矮塔斜拉桥(龙井河特大 桥)工程的需要，基于2009年西部课题“山区不对称连续刚构设计关键技术及 示范应用研究”，及专用程序BridgeKF的完善与推广，交通部公路所研发机构针 对另一个西部交通建设科技项目“山区曲线矮塔斜拉桥的设计与施工技术研 究”的立项，开发相应的专用分析程序，从而实现了本发明所开公的技术方案 《基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析方法及系统》。所述曲线斜拉桥专用分析 程序的英文名称为BridgeXLQ。

如图1所示，本发明公开了一种基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析方法及 系统，所述分析方法，包括以下步骤：

S1，将曲线斜拉桥施工分析过程表示为两层循环，第一层循环为阶段性分析 循环，第二层循环为每个阶段性分析循环内的徐变和收缩分析循环；

S2，采用虚拟单元模拟施工过程结构的变化和体系的变化，在整个模拟施工 过程中保持结构的整体刚度矩阵不变；

S3，在徐变和收缩分析时，采用指数函数模型，基于所述模型建立递推公式 进行分析；这样可以大大节省计算机内存容量，并且时间步长可以是不等长的。

S4，采用钢束混凝土单元，将所述钢束混凝土单元的灌浆前状态和灌浆后状 态分为紧邻的两个阶段，在每一个所述阶段内模拟钢束与混凝土的变形、预应 力的耦合作用；

S5、采用拉索单元，模拟张拉过程，将所述拉索单元在锚固前状态和锚固后 状态分为紧邻的两个阶段，所述张拉过程为在杆单元两端加上张拉力的过程， 在所述锚固前状态阶段不考虑索力只引入位移变形进行分析，在所述锚固后状 态阶段综合索力和位移变形进行分析；

以上步骤中S3、S4、S5执行不分先后。

S1具体为：

根据设计参数构建钢束混凝土单元、拉索单元和杆单元，模拟桥梁施工过 程，将每一个所述单元的施工过程划分为若干阶段，循环分析所述若干阶段形 成所述阶段性分析循环；为一个所述阶段内的施工过程基于时间步长变化循环 分析徐变和收缩变化形成徐变和收缩分析循环。

具体包括以下步骤：

a.接收用户输入的初始数据；

b.初始化并建立分块信息，将整个曲线斜拉桥施工过程划分为若干阶段；

c.判断对称循环LO是否小于等于jieduan，如果是则执行d.如果否则执行k.；

d.形成整体刚度矩阵；

e.形成等效结点荷载；

f.判断对时段循环J是否小于等于mt，如果是则执行g.如果否则执行j.；

g.计算徐变增量；

h.计算位移增量；

i.计算应力增量；

j.输出计算结果，执行c.；

k.结束；

其中：jieduan代表阶段数；mt代表该阶段的时间步数。

所述等效结点荷载包括：自重荷载、面力荷载、变温荷载、强迫位移处、支 座拆除、预应力和张拉力中的部分或全部。

本发明还公开了一种基于曲线斜拉桥专用分析程序的分析系统，包括：

数据获取模块，用于接收用户输入的初始数据；

初始化模块，用于初始化并建立分块信息；

对称循环判断模块，用于判断对称循环LO是否小于等于jieduan；如果是则 执行阶段数据处理模块.如果否则结束.；

阶段数据处理模块，用于形成整体刚度矩阵；还用于形成等效结点荷载；

对时段循环判断模块，用于判断对时段循环J是否小于等于mt，如果是则执 行对时段循环数据处理模块，如果否则输出计算结果；

对时段循环数据处理模块，用于计算徐变增量；计算位移增量；计算应力增 量；

计算结果输出模块，用于输出计算结果，执行所述对称循环判断模块；

其中：jieduan代表阶段数；mt代表该阶段的时间步数。

(一)本发明系统的基本思路

系统中涉及桥梁专业的基本公式以设计规范为准，如计算预应力损失。

系统中力学计算内容与常规相同，如集中力、分布力、体积力、张拉力、温 度力、强迫位移计算等，而预应力与混凝土相互作用不采用传统等效节点法， 而采用与实际情况相符合的耦合计算方法。

系统中考虑桥梁设计施工专有内容，如分阶段模拟桥梁施工，荷载、支座分 阶段上，并考虑混凝土徐变和收缩等计算内容以及空间影响面计算。

(二)本发明系统中的基本处理方法：

施工过程有两大循环：第一层为阶段性循环，第二层为各阶段徐变和收缩循 环。

采用虚拟单元模拟施工过程结构的变化和体系的变化，在整个施工过程保持 结构的整体刚度矩阵不变。

在徐变和收缩分析时，采用指数函数模型，基于该模型可以建立递推公式。 这样可以大大节省计算机内存容量，并且时间步长可以是不等长的。

采用钢束混凝土单元，模拟钢束与混凝土的变形、预应力等耦合作用。

钢束单元和混凝土单元耦合发生时间为下一阶段，如果只分一个阶段计算没 有耦合问题，也就是通过阶段来模拟灌浆前和灌浆后状态。

拉索单元张拉为在杆单元两端加上张拉力，有垂度效应则修改弹模E，默认 采用体内力张拉，如果要采用体外力，则要分两阶段张拉，第一阶段为锚固前， 没有索力，只有位移变形，第二阶段为锚固后，有索力也有位移变形。

附图2是本发明中的曲线斜拉桥专用分析程序的组成结构示意图。

所述曲线斜拉桥专用分析程序包括：BridgeXLQ程序前处理模块、程序前端 处理模块、程序核心求解器模块、程序后端处理模块、数据参数提供模块和Ansys 接口，所述BridgeXLQ程序前处理模块和所述数据参数提供模块分别和所述程序 前端处理模块连接，所述程序前端处理模块、所述程序核心求解器模块、所述 程序后端处理模块和所述Ansys接口顺序连接。所述数据参数提供模块包括：定 位线数据提供模块、横断面数据提供模块、墩、塔数据提供模块和拉索、拉杆 数据提供模块，其中所述横断面数据提供模块还与AutoCAD接口和横断面模板模 块连接。所述程序核心求解器模块由Fortran语言编写，所述BridgeXLQ程序前 处理模块由Visual C++编写。所述AutoCAD接口用于与AutoCAD对接，所述Ansys 接口用于与Ansys对接。

通过采用本发明公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：

本发明实现了分析曲线部分斜拉桥的各种复杂计算，节省时间和人力资源， 提高了计算的准确度，尤其将计算分析由二维转向三维，这是结构分析的一大 进步。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技 术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这 些改进和润饰也应视本发明的保护范围。