用ANSYS进行桥梁结构分析Word文件下载.docx

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-施加荷载及荷载选项（有DOF约束、力、面荷载、体荷载、惯性荷载和耦合场荷载六类）

-求解.

3、看分析结果（GeneralPostproc）

-查看分析结果.

-检验结果.（分析是否正确）

ANSYS的模块化结构如下：

PREP7

前处理器

SOLUTION

求解器

POST1

通用后处理器

POST26

时间历程后处理

OPT

优化设计模块

RUNSTAT

估计分析模块

OTHER

其他功能

三、桥梁工程常用单元

有限单元法解题的一般步骤为：

结构的离散化，选择位移模式，建立平衡方程，求解节点位移，计算单元中的应变和应力。

结构分析常用单元类型表

类别

特性

单元名称

适用范围

杆

普通

LINK1（2-D）

LINK8（3-D）

构架，铰链，弹簧

双线性

LINK10

电缆，铰链，钢索

梁

BEAM3（2-D）

BEAM4（3-D）

螺栓，带槽的柱

2D实体

三角形

PLANE2（6节点）

二维固体

四边形

PLANE42（4节点）

PLANE82（8节点）

超弹性

HYPER84（8节点）

HYPER56（4节点）

粘弹性

VISCO88（8节点）

3D实体

块

SOLID45（8节点）

三维固体

四面体

SOLID92（10节点）

HYPER86（8节点）

VISCO89（20节点）

混凝土

SOLID65（8节点）

管

直管

PIPE16

弯管

PIPE18

专用单元

单组弹簧

COMBIN14

弹簧

组合弹簧

COMBIN40

铰

COMBIN7

质量

MASS21

1、LINK12-DSpar单元

应用范围：

LINK1单元可以模拟二维构架、铰链、弹簧等结构。

此单元为二位单元，只可以承受单向的拉伸或者压缩，每个节点上具有两个自由度。

一般假设：

在杆单元中，假设材料为均质等直杆，且在轴向上施加荷载。

杆的长度不能为零，所分析的杆件必须处于X-Y平面内，且面积不能为零。

温度被假设为沿着杆的长度方向线性变化。

应用限制：

阻尼材料特性不能使用；

流体荷载不能使用；

只允许适用的特征为应力刚度和大应变分析。

2、LINK83-DSpar单元

LINK8单元用在工程结构中模拟三维空间桁架、绳索、铰链以及弹簧单元，此单元可以承受单向的拉伸或者压缩，每个节点上具有三个自由度。

一般假设和应用限制同LINK1。

3、LINK10Tension-onlyorCompression-onlySpar单元

其特有的双线性刚度矩阵导致单元只能承受单向的拉伸或单向压缩。

可以模拟一个松弛的电缆或者松弛的铰链模型，这个特征在模拟静态的钢索问题是非常有用的，特别是在整个钢索使用一个单元来分析时。

4、BEAM32-DElasticBeam单元

BEAM3单元只能承受单向的拉伸、压缩和弯曲。

此单元在每一个节点上有三个自由度，即沿着坐标X轴和Y轴方向的自由度和绕着Z轴的旋转自由度。

可以模拟螺钉、带槽的圆筒等。

在梁BEAM3单元中，对于转动惯量的计算，横截面可以为任意形状。

单元的高度仅在弯曲计算和温度应力分析时才有用。

温度梯度一般被认为是线性分布。

本单元必须位于X-Y平面内，且长度不能为零，在不使用大挠度的情况，惯性矩可以为零。

只允许指定的特征为应力刚度和大应变形分析。

5、BEAM43-DElasticBeam单元

BEAM4单元可以承受单向的拉伸、压缩、扭转和弯曲。

此单元在每一个节点上有六个自由度。

即沿着坐标X轴、Y轴和Z轴方向的自由度和分别绕着三轴的旋转自由度。

同BEAM3

旋转实常数（R11）不可以使用；

KEYOPT

（2）不能设置为0；

KEYOPT（7）不能设置为0；

6、PLANE422-DStructuralSolid单元

PLANE42单元一般使用于二维固体结构中，此单元可以作为平面单元，既可以用于平面应变，也可以用于平面应力分析，或者用于轴对称分析，此单元在每一个节点上有两个自由度，即沿着X轴和Y轴方向的自由度。

一般假设：

单元面积不能为零，单元必须位于平面X-Y内。

能量密度荷载不可以使用；

KEYOPT（6）=3无效；

仅仅应力刚度为指定的有效特征。

7、SOLID453-DStructuralSolid单元

SOLID45单元为3-D固体结构单元，由八个节点组成。

在单元每一个节点上有三个自由度，即分别沿着三个坐标轴方向。

此单元可以进行塑性、蠕变、应力硬化、大变形以及大应变分析。

在SOLID45单元中不允许使用零体积，并且单元不可以扭曲，例如单元不可以有两个分离的体积。

在ANSYS/LnearPlus程序中应该注意：

只允许指定的特征为应力刚度和大变形分析；

能量密度荷载无效；

KEYOPT（6）=3不可以使用。

四、桥梁工程单元类型匹配

1．在桥梁用ANSYS建立模型时，可参照以下建议用的单元进行桥梁模型的建立：

（1）梁（配筋）单元：

桥墩、箱梁、纵横梁。

（2）板壳（配筋）单元：

桥面系统。

（3）实体（配筋）单元：

桥墩系统、基础结构。

（4）拉杆单元：

拱桥的系杆、吊杆。

（5）拉索单元：

斜拉桥的索、悬索桥的钢丝绳。

（6）预紧单元：

索力控制、螺栓铆钉连接。

（7）连接单元：

支座、地基。

2．在建立模型时要准确模拟边界条件，因此要准确分析连接部位的固有特性

（1）桥梁常见的连接部位：

a．固定支座、铰支、可滑移支座等空间支座系统。

b．带减振和隔振措施的减振支座系统。

c．地基-主体之间桩-基系统。

d．刚构之间的螺栓连接、铆接等。

e．梁管之间的球接和铰接等。

（2）连接部分解决方法

ANSYS在解决桥梁不同的连接部位时可选用如下的方法：

a．COMBIN7、COMBIN40、LINK11、CONTACT52、COMBINE38弹簧（阻尼、间隙元）：

可用来模拟支座、绳索、拉杆等桥梁部件。

b．预紧单元可解决螺栓、铆钉等桥梁部件。

c．二力杆拉杆、索可解决拉索问题。

d．耦合与约束方程可解决梁与塔横梁的边界约束关系。

e．接触单元如CONTACT52可模拟滑动支座、销接等部件的真实情况。

（3）常见桥梁接触问题

桥梁各个部分之间可能存在如下三种接触方式。

a．滑动连接：

点点接触。

b．绑定连接：

点面接触。

c．转动连接：

面面接触。

用接触单元可模拟如：

滑动支座接触、挡块与其它部件的接触、振动时不同构件的碰撞等问题，这里不再一一赘述。

（4）桥梁基础的处理方式

为了真实的模拟桥梁的真实的实际情况，需要真实模拟桥梁的基础受力、变形及约束情况，建议建立模型时采用如下方案。

a．基础承台与桩基：

用实体模型、预应力配筋。

b．基础与岩石系统：

有限区域实体模型、预应力配筋。

五、桥梁常见模型处理

（1）桥梁中常用的模型可以用相应的单元

a．刚构桥、拱桥：

梁与杆单元组合模型。

b．钢管混凝土：

复合截面梁模型。

c．连续梁：

梁模型。

d．斜拉桥/悬索桥：

梁、板壳、索或杆单元组合模型。

e．立交桥：

实体墩、板壳桥面和加强梁混合模型。

f．局部详细计算：

实体（考虑配筋）或板模型，以便考虑模型细节特征，如结构尺寸构造倒角、厚薄或粗细过渡、凹凸部分以及配筋等。

（2）桥梁建模要综合运用各种合适的单元

对桥梁进行总体分析应该遵循如下原则：

a．支座系统采用弹簧-阻尼系统；

b．连接部位采用耦合与约束方程；

c．桥墩系统采用截面梁、配筋梁；

d．桥面系统采用截面梁、配筋梁、板壳、梁板组合。

对桥梁进行局部分析应该遵循如下原则：

a．支座系统采用实体模型：

（粘塑、超塑、塑性）大变形（位移）；

b．连接部位采用接触模型：

实体、板壳、梁或组合模型；

c．桥墩系统采用实体模型：

配筋与混凝土破坏；

d．桥面系统采用实体或板壳：

配筋与混凝土破坏，组合梁之间的耦合与约束方程。

（3）选用合适的分析方法

在对桥梁进行建模计算时对不同的计算目的要采取不同的计算步骤。

静态计算

a．根据分析类型承载特点建立合理梁、板、实体、拉杆（模拟索）模型；

b．材料与几何非线性效应；

c．连接部位与支座的正确处理。

动力分析

a．尽量采用梁、板壳与二者组合模型；

b．附属结构简化为质点，建立与总体结构耦合关系；

c．连接部位与支座自由度协调合理；

d．应当考虑大变形、初应力以及预张力的动力影响；

e．必须正确考虑阻尼效应；

c．材料与几何非线性效应。

六、工程实例分析

工程概况：

本工程为桥宽5米、钢管拱斜拉人行桥。

桥面体系为椭圆的一半，并设有纵坡，采用钢箱梁结构，梁高1.4米，内弧侧设有半椭圆钢管拱一坐，拱外径1.6米，桥面体系两侧设有桥台，采用滑板支座支撑，桥面与拱在距离最近处采用刚臂进行连接，其它部位采用拉索连接，拉索直径5cm，拉索吊点作用在桥面系内弧侧，因此必须考虑扭矩的影响，每个单元重心到吊点距离为1.6米。

设计恒载（自重自动计入）：

38KN/m，设计活载：

20KN/m，设计扭矩：

93KN/m。

桥面体系和刚臂：

梁单元，Beam44；

拱和拱脚加厚段：

管单元，Pipe16，拉索：

索单元，Link8

单位：

均采用国际单位，N，m，s，Kg，Pa（ANSYS没有自己的单位标准，只要单位一致就可以了）

以下为本工程的命令流：

（“!

”为ANSYS命令流注解）

/PREP7

!

进入前处理

et,1,Beam44

定义梁单元（桥面系）

et,2,Pipe16

定义管单元（拱）

et,3,Beam44

定义梁单元（刚臂）

et,4,Pipe16

定义管单元（拱脚加厚段）

et,5,Link8

定义索单元（拉索）

mp,dens,1,7850

定义质量密度

mp,prxy,1,1/3

定义泊桑比

mp,ex,1,2.07e11

定义弹性模量

acel,,,9.8

定义加速度,Z正方向,大小为9.8

r,1,0.1523,0.1979,0.0599,0.70,1.61

定义梁单元（桥面系）实常数

r,2,1.6,0.02

定义管单元（拱）实常数

r,3,0.1546,0.0543,0.0543,0.70,0.75

定义梁单元（刚臂）实常数

r,4,1.6,0.04

定义管单元（拱脚加厚段）实常数

r,5,1.963e-3

定义索单元实常数（直径5cm）

生成桥面体系节点

n,1,0.00,-33.82,1.40

n,2,1.76,-33.11,1.53

n,3,5.37,-31.34,1.78

n,4,8.74,-29.18,2.01

n,5,11.84,-26.66,2.23

n,6,14.65,-23.81,2.43

n,7,17.13,-20.67,2.60

n,8,19.78,-16.23,2.73

n,9,20.96,-13.66,2.84

n,10,22.27,-9.88,2.96

n,11,23.15,-5.98,3.02

n,12,23.59,-2.00,3.05

n,13,23.65,0.00,3.06

对称点

n,14,23.59,2.00,3.05

n,15,23.15,5.98,3.02

n,16,22.27,9.88,2.96

n,17,20.96,13.66,2.84

n,18,19.78,16.23,2.73

n,19,17.13,20.67,2.60

n,20,14.65,23.81,2.43

n,21,11.84,26.66,2.23

n,22,8.74,29.18,2.01

n,23,5.37,31.34,1.78

n,24,1.76,33.11,1.53

n,25,0.00,33.82,1.40

生成拱节点

N,26,17.32,-16.64,-2.08

N,27,16.82,-16.60,-0.26

N,28,16.07,-16.23,2.53

N,29,13.51,-13.06,11.88

N,30,12.78,-11.51,14.62

N,31,12.11,-9.59,17.12

N,32,11.54,-7.28,19.25

N,33,11.11,-4.58,20.85

N,34,10.88,-1.57,21.74

N,35,10.84,0.00,21.74

N,36,10.88,1.57,21.74

N,37,11.11,4.58,20.85

N,38,11.54,7.28,19.25

N,39,12.11,9.59,17.12

N,40,12.78,11.51,14.62

N,41,13.51,13.06,11.88

N,42,16.07,16.23,2.53

N,43,16.82,16.60,-0.26

N,44,17.32,16.64,-2.08

allsel

全部选择

生成梁单元（桥面系）

type,1

单元代号为1（前面定义梁单元）

mat,1

材料特性代号为1

real,1

实常数代号为1

*do,i,1,24,1

进行循环操作开始

e,i,i+1

根据节点生成单元

*enddo

进行循环操作结束

生成拱单元

type,2

单元代号为2（前面定义管单元）

real,2

实常数代号为2

*do,i,29,40,1

生成刚臂单元

type,3

单元代号为3（前面定义梁单元）

real,3

实常数代号为3

e,8,28

e,18,42

生成拱（加厚段）单元

type,4

单元代号为4（前面定义管单元）

real,4

实常数代号为4

e,26,27

e,27,28

e,28,29

e,41,42

e,42,43

e,43,44

生成拉索单元

type,5

单元代号为5（前面定义索单元）

real,5

实常数代号为5

e,3,33

e,4,32

e,5,31

e,6,30

e,7,29

e,9,31

e,10,32

e,11,33

e,12,34

e,14,36

e,15,37

e,16,38

e,19,41

e,20,40

e,21,39

e,22,38

e,23,37

全选

/eshape,1.0

设置单元比例

eplot

绘制单元

d,26,all

约束拱脚（固定）

d,44,all

d,1,uz

约束桥面体系（水平滑动）

d,25,uz

加载

*do,i,1,25,1

f,i,fz,-58000*4

Z负方向58000N/m

*do,i,1,7,1

f,i,mx,58000*4*1.6*0.707

X正方向的扭矩

f,i,my,58000*4*1.6*0.707

Y正方向的扭矩

*do,i,8,18,1

f,i,my,58000*4*1.6

*do,i,19,25,1

f,i,mx,-58000*4*1.6*0.707

X负方向的扭矩

/solu

进入求解器

solve

求解

/post1

进入后处理

Plnsol,s,eqv,0,1

显示节点应力

Plnsol,s,1,0,1

显示第一主应力（参数:

1,2,3）

Plnsol,u,sum,0,1

显示节点位移（参数：

sum,x,y,z）

Plnsol,rot,sum,0,1

显示节点转角（参数：

模型（单元应力，命令：

Plnsol,s,eqv,0,1）如下图所示：

最大应力发生在拱与梁连接的刚臂处，大小为139MPa，最大容许应力为145MPa，满足设计要求。

计算的内力如下（索单元没有弯矩）：

ELEM=1FXFYFZMXMYMZ

1-0.14901E-07-0.29802E-07-0.43351E+06-0.26244E+06-0.26244E+06-0.26822E-06

20.14901E-070.29802E-070.41122E+06-37440.0.10058E+070.31292E-06

ELEM=2FXFYFZMXMYMZ

20.93135E-080.16391E-06-0.17922E+06-0.22500E+06-0.12682E+07-0.29802E-07

3-0.93130E-08-0.13411E-060.13202E+06-50449.0.18300E+070.40978E-06

………………中间数据省略……………………

ELEM=60FXFYFZ

2218725.-0.14646E+060.11318E+06

38-18725.0.14646E+06-0.11741E+06

ELEM=61FXFYFZ

2322306.-0.10399E+0671588.

37-22306.0.10399E+06-76626.

可以看到，力的作用方向与结构力学规定的相反，请加以注意！

通过强大的后处理可以得到任何有用的结果，这里就不一一赘述了，通过本例，可以起到抛砖引玉的作用，更好更熟练的使用需要长期的积累和摸索。

参考文献

[1]钢结构设计规范（GB50017-2003）．北京：

中国计划出版社2003

[2]精通ANSYS．刘涛杨凤鹏主编北京：

清华大学出版社2002

[3]ANSYS5.7有限元实例分析教程．嘉木工作室北京：

机械工业出版社2002

[4]Algor、Ansys在桥梁工程的应用方法与实例子．张立明主编北京：

人民交通出版社2003