悬索桥施工过程结构分析系统 SBCC 完美复制版本
悬索桥施工过程计算程序使用说明
交通部公路科学研究所
一九九五年十二月
悬索桥施工过程计算程序(SBCC)说明
悬索桥施工过程计算程序SBCC(Suspension Bridge Construction Control)是针对悬索桥在施工过程中承受施工荷载和结构自重而产生的不断变化的索形，以及结构位移、内力和应力状态的控制计算问题，而编制的专用程序。包括输入数据的对话框截面，计算悬索桥初始状态各结点坐标，生成悬索桥各部件单元数据，计算主缆空缆平衡位置、主索鞍切点位置、主缆初始应变、形成荷载数据，结构初态的大循环迭代目标逼近计算，形成图形数据等功能。本程序输入数据简单，输出结果直观易懂，输出内容为按部件和部位排列的结构各节段坐标、位移、内力等常规计算内容，还包括箱梁节段开口角、主索鞍中心偏移距及左右切点和顶点坐标、散索鞍径向倾角、主缆无应力长度、吊杆无应力长度等，这样使输出结果更符合工程习惯，更便于工程技术人员实际应用。
操作说明：
1.在文件栏中所列模板数据文件上单击鼠标左键显示结构简图。
2.在文件栏中所列模板数据文件上双击鼠标左键进入数据编辑对话框。
附件：悬索桥施工过程结构分析软件研制情况介绍
一、悬索桥结构计算程序现状与回顾
在悬索桥的计算理论和研究方法方面，国外早在40年代采用挠度理论分析计算悬索桥就已相当成熟，到70年代随着有限元法的创立和计算机技术的飞速发展，用有限位移理论进行悬索桥的几何非线性分析不论在理论上还是应用软件上都已成熟，80年代以来国外相继开发了许多功能更强、应用范围更广的通用非线性有限元软件系统如：NONSAP, ADINA, ANSYS, NASTRAN等，这些软件考虑非线性性质更为充分、计算结果更为精确且更符合工程实际。
我国研究悬索桥非线性分析始于80年代中，所研制的计算软件大致有两类。一类是以传统的解析方法（挠度理论或悬索力学）为基础，用数值计算方法把解析过程编成计算机程序，这些程序在不少中小悬索桥及军用组合悬索桥的设计施工中得到应用；另一类是以有限位移理论为基础，在原有平面杆系有限元程序基础上加以改造使之能进行悬索桥几何非线性分析。国内学者所研制的程序的可靠性检验，一般是将其计算结果与ADINA
程序计算结果对比考证，两者吻合则认为可靠，并在一些大跨度悬索桥方案论证中得到应用。有的院校还自行推导了空间杆系有限元的几何非线性计算单元，并研制了计算程序，其计算结果与ADINA 程序计算结果更为接近。
国内各家研制的悬索桥非线性分析软件目前主要是用于计算成桥阶段恒、活载引起的结构内力与位移及用于抗风、抗震等动力分析的软件。这些软件一般都假定悬索桥自重内力和位移与施工过程无关，主缆是理想的抛物线或悬链线，主缆、主梁以及吊杆在自重作用下都处于理想的受力状态，有的在计算中还忽略塔墩和索鞍的影响，将其简化为在理想的虚交点上的链杆支撑。显然这与悬索桥结构工程实际是有出入的。
目前国内还没有现成较适合于悬索桥施工过程结构分析的软件。结合虎门悬索桥施工监控工程实践，我们在ADINA 程序基础上编制了悬索桥施工过程结构分析专用计算程序SBCC(Suspension Bridge Construction Calculation)。该程序可用于单跨简支、三跨简支和三跨连续加劲梁悬索桥的倒退循环分析，也可用于这类桥型的实时跟踪分析。本软件能考虑施工过程中结构体系的逐步形成和转换、结构自重分期施加、施工荷载和温度场不断变化、塔顶和索鞍之间相对位移按要求在指定施工阶段调整、计入主缆与主索鞍切点影响、主索鞍与塔墩的连接、散索鞍与主缆的连接、加劲梁与塔墩的连接、加劲梁单元刚度和自重的分阶段计入、塔墩及桩基实际刚度的影响……等施工过程结构实际情况。可用来计算结构初始状态和各施工阶段中结构内力与位移。
二、悬索桥施工过程结构分析原理和程序框图
悬索桥施工的特点是主缆安装就位后，主缆内力、挠度完全取决于结构体系形成过程。索鞍、塔顶及主梁之间相互连接情况，结构自重、施工荷载和温度场变化过程等对主缆内力和线形都有一定影响。悬索桥施工过程计算的关键是主缆无应力下料长度，主缆在自重作用下的初始安装位置（初始垂度和线型）、索鞍初始预偏量等的准确计算。另外，由于主梁节段由跨缆起重机起吊到预定位置后安装吊杆，吊杆本身一般不另外配置千斤顶调整其内力，跨缆起重机移开后再要大幅度调整吊杆内力和长度是不现实的，因此吊杆无应力下料长度和主梁初始安装位置的计算也是悬索桥施工过程计算的重点。
总的说来悬索桥施工过程结构分析软件主要应包括两大部分。其一是结构初始位置分析，确定主缆、吊杆等部件的下料长度和空缆在自重作用下的初始位置及各施工阶段理想状态；其二是实时跟踪分析，根据实际观测结果经分析识别得到结构实际参数并计算各施工阶段控制点标高、位移量、内力和应力的理论值。
悬索桥结构分析方法有早期的弹性理论、挠度理论，近期的重力刚度理论、有限位移理论，以及能充分考虑材料和几何等多种非线性因素的广义非线性有限元理论等。为了保证计算结果的可靠性，我们选定后一种方法，即在现有的国际上比较流行的其算法得到公认的通用广义非线性有限元程序基础上加以改造形成悬索桥施工过程结构分析专用软件（SBCC）。这样做起点高可以避开结构非线性有限元算法的推导和考证，软件开发人员可以集中精力致力于解决工程实际问题，这是工程技术人员进行工程应用软件开发的有效途径。
SBCC程序中采用更新拉格朗日(Lagrange)格式2或3结点杆单元离散主缆、吊杆和支撑杆件单元。其中主缆单元可采用3结点曲杆单元离散，吊点间内差结点数可根据精度要求调整。边跨和吊点间主缆曲线效应用3结点曲线杆单元或多个2结点单元计算比通常在有限位移法中用的 Ernst修正算法更精确。主缆在其自重作用下的初始位置和初应变采用悬索力学中悬链曲线理论计算，然后用非线性有限元平衡迭代结果修正。以后各阶段均以此为基础用非线性有元平衡迭代方法分别计算不同结构体系所承受的施工机具、吊杆、加劲梁、桥面系等的重力，以及温度变化，强迫位移等因素影响下结构各部位的变形和内力。
SBCC程序中用更新拉格朗日格式2结点梁单元离散加劲梁、塔、墩、桩基础和索鞍。其中加劲梁单元可根据实际施工情况规定其吊装（自重作用）、固结（单元刚度计入）阶段。程序中每个主索鞍和塔顶之间用两个杆单元结合位移协调关系模拟索鞍在塔顶上的水平位置调整、索鞍偏心弯矩和垂直轴力的传递。程序中每个散索鞍用一个杆单元模拟摆柱使其两侧主缆索力平衡。程序中用4个梁单元模拟一个主墩下的群桩基础。
SBCC程序中采用BFGS矩阵校正法进行非线性平衡迭代，在迭代中采用的收敛准则是增量位移的欧几里德范数(Euclidean norm)对前次算得的最大位移的欧几里德范数的比值。实践证明这种算法收敛性较好。
针对悬索桥结构体系特点在SBCC程序中采用了我所最新研究成果梷梷大循环迭代的计算方法，即以设计图上给出的主缆、加劲梁和索鞍位置坐标为控制目标，按实际施工荷载、主梁吊装和固结先后顺序及结构的实际刚度从基础施工开始直到桥面系二期恒载施加完毕，划分若干计算阶段，从头至尾反复试算直至控制点位置坐标均满足设计要求为止。试算过程中每一个循环都是以前一个循环为基础不断修正结构初始位置坐标的施工全过程大循环迭代分析，这样经过若干次大循环迭代目标逼近可以比较准确地确定主缆初始位置。
另外，本程序比较便于工程技术人员使用，其输入数据结构尽可能符合工程习惯按桥梁结构部件分类填写数据，有限元法中的单元、结点及荷载等全部信息均由程序生成。为能形象地了解计算过程及时发现数据中的问题，专门编制了后处理程序以形成结构单元离散图、结构变形图及控制点位移值等。
SBCC程序主程序框图见图 1。图 1中主子程序SBCM是SBCC程序非线性有限元计算的核心，它以ADINA 程序提供的非线性平衡迭代算法和杆、梁单元库为基础，增加悬索桥结构控制分析所需的一些特殊功能，如：主缆初始悬链线曲线坐标和单元初应变计算功能，单元安装与拆除的功能，梁单元的温度荷载，分阶段、分部位、指定位置加载的功能等。
主子程序SBCM流程框图见图2。
