ANSYS实操：斜拉桥索力优化与桥梁索结构原理

桥梁体系演变史上，索结构贯穿始与终。对索结构设计的掌握程度，也是区分桥梁工程师水平的一大关键，它是趁手的玩具，还是扎手的荆棘，关键在于对索结构本质的理解。

涉及索的三种主要桥梁结构体系

斜拉桥效率高、跨越能力大，大家见的多、做的多，但是由多个三角几何形成如此简单造型的斜拉桥，在设计上却带给广大工程师如此多的困惑，往往一点设计细节上的变化，就会带来计算结果的震荡，原本可行的方法突然失去了普适性，这是大家的共同痛点。

斜拉桥家族基因的多样性

总结出共性，萃取其本质，化整为零，从简单的概念切入再逐渐推进深化。

“超静定结构的本质，在于力有多条传递路径”

斜拉桥、拱桥调索，其目的在于将超静定结构里以轴力为主的那条传力路径给找出来，而不是创造出一条以轴力为主的传力路径。若没有通过清晰的概念设计先构筑一个高效、合理的体系，则该体系内就不存在一条以轴力为主的潜在传力路径，此时用任何调索方式，都无法得到下图中这般漂亮的内力分布图。

一座非典型斜拉桥的调索后内力图

学习桥梁设计，样本的优劣很重要，并不是说，已经建成的桥梁，就代表了正确和可靠，相反，其中的水平差异和浮动性非常大，若是没有对学习样本作有效筛分，则会被带入深坑。

下图中形态各异的索结构桥梁，都是高效设计家族中的成员，它们经过合理的体系设计与找形，兼顾了美学与力学的平衡，也是调索后得到完美弯矩图的必要前提。

图解静力学对各式索结构桥梁体系进行找形

从设计的角度来进行分析，可以得知成桥恒载内力的分布如何是桥梁结构在长期运营过程中保证其质量的关键部分所在，成桥的状态合理指的就是斜拉桥的索、梁、塔等构件在活载、恒载作用下做能承受的最小的受力状态。

我们根据目前设计研究中常用的索力优化方法，提炼出桥梁索结构底层原理与对应软件实操教程，旨在为同行直观了解当前斜拉桥索力优化研究进展并学习相关理论基础。教程结合Midas Civil与Ansys APDL两套商业有限元软件介绍索结构底层原理与基础模型的对应关系，最后根据具体的实际案例，基于Ansys给出三种索力自动优化算法，并利用生死单元功能对实例模型进行施工流程模拟，确定各阶段张拉索力，我们会讲解算法核心部分的每一行命令流，命令流也会完整的给到大家。

本教程分为两个部分

第一部分（理论部分）——4课时

第二部分（实例部分）——3课时

第一部分为理论基础部分，详细介绍桥梁索结构底层原理与软件的对应关系。课程重点讲解了斜拉桥配重计算原理、实用法、最小弯曲能量法、零位移法的本质原理和手算、软件对比。拆解Midas civil的体内力、体外力、未闭合配合力、施工激活几大黑箱内部结构，彻底将Midas内部算法与索结构原理进行一一对应。用多个Ansys apdl基础模型对Ansys的索力张拉方式、生死单元原理、非线性不收敛、零杆刚度迁移问题、斜拉桥施工合龙关键参数的计算进行了清晰的讲解。利用Midas civil和Ansys apdl对比讲解无应力状态法的根本原理。

理论部分展示

第二部分结合一实际工程，利用Ansys的参数编译能力，对该斜拉桥分别采用位移目标优化；弯矩目标优化；索力目标优化三种自动优化算法，得到成桥状态的最优索力，如下图所示。最后基于无应力状态法，采用生死单元功能对本模型进行施工流程模拟，确定各阶段张拉索力，以及确定合龙过程的压重和温度，达到理想成桥内力状态。

三大优化算法与施工步索力确定结果展示

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