基 于 A N S Y S 的 斜 拉 桥 施 工 模 拟 分 析
陈赕 华
上海建工集团有限公司 上海 200080
摘要：根据斜拉桥的结构受力特点以及施工过程控制需要，基于有限元软件ANSYS，编制命令流程序建立了空间三
维梁杆单元模型。通过杀死和激活单元的方法，有效地模拟出每个施工阶段的结构内力和位移变化，再将模拟结果与
MIDAS／CIVIL计算结果进行对比来验证模拟方法的合理性和正确性，为斜拉桥的设计和施工控制提供了理论依据。
关键词：ANSYS；斜拉桥；施工模拟；生死单元法
中圈分类号：TU997 文献标志码：B DOI：10．14144／j．cnki．jzsg．2016．07．053
Sim ulation Analysis of Cable—Stay Bridge Construction Based on ANSYS
CHEN Yihua
Shanghai Construction Group Co．，Ltd． Shanghai 200080
O 引 言
斜拉桥是一种结构轻盈 、跨越能力大 、施工简便的桥
梁形式 ，属于高次超静定的柔性结构 ，随着跨径的增大 ，
恒载内力状态的多样性以及结构状态的非线性会越来越显
著 。鉴于斜拉桥施工过程和成桥状态的相关性 ，尤其在施
工阶段结构体系不断转换的过程 中，结构的内力和位移变
化更加复杂 ，因此模拟分析斜拉桥的施工过程与控制成为
了目前研究领域的热点研究课题[1]。
在学 习和总结前人研 究工作的基础 上 ，运用有限元
软件ANSYS参数化设计语 言 (ANSYS Parametric Design
Language，简称APDL)建立空间三维梁杆单元计算模型 ，
对某斜拉 桥施工过程进行模拟 ，并 与有限元软件MIDAS／
CIVIL计算结果 进行对 比，用以校正模拟结果的合理性和
准确性。
1 斜 拉 桥 施 工 过 程模 拟
1．1 基本原理
斜拉桥作为高次超静定结构 ，其结构计算是比较复杂
的。鉴于斜拉索是斜拉桥的主要承重构件 ，斜拉 索索 力可
以看作是作用在主梁或主塔上的集中力，把主梁或主塔单
独取 出，可以看作有多个集中力作用的连续梁或悬臂梁 ，
由此可 以找 出斜拉索索力与主梁内力之间的关 系 】。首先
假定定义二者之 间的关系为如式 (1)所示 。
F=DT (1)
式 中：F_—_，斜拉桥主梁或主塔的内力矩阵；‘
卜 多个斜拉索的索力矩阵；
索力与主梁 内力之 间的关系矩阵。
斜拉桥各施工阶段的平衡方程如式 (2)所示 。
K6=R (2)
式中： — 啦 桥的整体刚度矩阵 ；
R_ 节点力矩阵；
6——结构位移向量。
根据斜拉桥的施工顺序 ，每个施工阶段都会有主梁梁
端和斜拉桥的加入 ，结构形式的不断变换导致结构 内力和
变形发生变化 ，参考文献[4]，每个阶段的结构 内力可以视
为前一阶段结构内力和当前阶段新增单元所产生结构内力
的叠加 ，则 当前施工阶段 j的平衡方程如式 (3)所示。
Ki6 Ri
． 1+△Ri (3)
式中 ：K——第 i施工阶段的结构整体刚度矩阵 ；
R、R ——第i施工阶段和第 i一1施工阶段的节点力矩
阵；
△只厂_一 第i施工阶段的结构新增节点力矩阵。
由此可以得到 当前施工阶段拉索索力为前一阶段索力
和当前阶段增量的和，即第j施工阶段的索力见式 (4)。
三 = 1+△ = +皇 △ (4) ，J
式中： 和 ——第 j施工阶段和第 i一1施工阶段的斜拉索
索力；
一 初始斜拉索索力；
△ 一 第i施工阶段的结构新增节点力。
由公式 (4)可以得出所有施工阶段的索力均与初始索
力有关 ，则可以建立结构内力与拉索索力之间的关系，即式
(1)可以写成如式 (5)所示。
F=D ( 暑 △ ) (5)
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陈赕华：基于ANSYS的斜拉桥施工模拟分析
在施工过程中考虑到收缩徐变等影响因素 ，参考文献
[4]进行优化拉索索力，保证各阶段结构受力和变形符合设
计要求。
1．2 算例
选用一常见 的简化斜拉桥形式进行模 拟计算 ，如图1
所示。斜拉桥全长为 120 m，主塔高70 m，斜拉索采用扇
形布置 ，共3对 。基于ANSYS建立有限元模型 ，桥面和主
塔采用梁单元BEAM4，斜拉索采用杆单元LINK10，有限
元分析中的钢筋混凝土的弹性模量为0．38 X 10“Pa，容重为
26kN／m 。
图1简化斜拉桥模型
考虑该座简化的斜拉桥施工过程 ，分为3个阶段 ，分别
为进行3层拉索的施工。图2给出了3个施工阶段的全过程分
析示意，考察每层拉索的索力变化和结构变形情况 。
(a)第1阶段 (b)第2阶段 (c)第3阶段
图2斜拉桥施工过程示意
根据以上斜拉桥的施工过程 ，设置3个 时间步 ，在每
一 个时间步进行对应图2中相应单元的杀死或激活 ，施加 自
重荷载获得不 同施工阶段斜拉索索力，如表1所示。在整个
施工过程中第1层拉索索力始终承担 了最大的拉力，在成桥
状态下第 1层和第2层的索力比较接近 ，远远大于最外层的
拉索索力。图3tL较了分别应用ANS
基于ANSYS的斜拉桥施工模拟分析（论文）.pdf
