Ansys桥梁结构工程应用.docx
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Ansys桥梁结构工程应用.docx
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Ansys桥梁结构工程应用
第5章Ansys桥梁结构工程应用
知识点:
连续刚构桥仿真
桁架桥受力分析
悬索结构分析
移动载荷
桥梁动态响应
桥梁地震响应
本章导读:
桥梁结构是土木行业中最常见的建筑结构工程物之一,对桥梁进行较为精确的受力分析,合理模拟其各种工况下的动态响应,对于桥梁的设计与安全控制有着十分重要的现实意义。
本章主要通过介绍几种典型桥梁,如桁架桥、悬索桥、刚构桥的受力分析及动力响应,而阐述在Ansys中如何实现各种桥梁的建模,移动载荷的加载及地震反映谱(请确认)的输入等有限元分析的相关技术。
5.1连续刚构桥三维仿真分析
5.1.1问题的描述
某一刚构桥,主桥长170m,为三跨(48+74+48)预应力变截面双箱双室V型墩刚构桥,如图5-1和5-2所示。
V型墩角度为90。
,与V型墩固接处的梁高为3m,跨中梁高1.8m,假设只布置纵向预应力钢筋,位置如图5-2。
已知条件如下:
材料:
混凝土,E=3.25e10ν=0.2Density=2600
钢筋,E=207e9ν=0.3Density=7800
几何尺寸:
箱形截面的顶板与底板厚0.25m,腹板厚0.6m,V型板厚1m
预应力筋面积0.02,初始预应变-0.005
图5-1 主桥模型
图5-2 箱型截面
提示:
(1)采用shell63壳单元划分箱形梁的顶板、底板、腹板及V型支撑,它有弯曲和薄膜功能,面内和法向荷载都是允许的,本单元有三个平动自由度和三个转动自由度。
本单元包括应力刚化和大变形功能,在有限转动的大变形非线性分析中,可以用一致切线刚度矩阵。
(2)采用link8号杆单元模拟预应力钢筋。
它是一个有广泛工程应用的单元,比如:
桁架、缆索、连杆以及弹簧等。
这种三维杆单元是杆轴方向的拉压单元,每个节点有3个平动自由度。
本单元拥有塑性、蠕变、膨胀、应力刚化以及大变形和大应变等功能。
5.1.2建模
建模顺序:
生成各节点→生成顶板并划分网格→生成底板并划分网格→生成腹板并划分网格→划分预应力钢筋→生成V型支撑并划分网格→合并压缩重复节点与单元。
由于模型较为复杂,所以采用APDL命令流方式建模较为方便。
建模步骤如下:
(1)以交互方式进入Ansys,设置初始工作文件名为rigidbridge.。
(2)定义分析类型:
指定分析类型为Structural,程序分析方法为h-method。
路径:
MainMenu/Preferences。
(3)定义单元类型:
路径:
MainMenu/Preprocessor/ElementType/Add/Edit/Delete。
在弹出的(什么对话框?
请给出名称)对话框中选择Add,在新的(什么对话框?
请给出名称)对话框中选择shell63号弹性壳单元为1号单元,然后单击“OK”按钮;再单击同“Add”按钮,选择link8为2号单元,单击“OK”按钮,最后单击“Close”按钮关闭对话框。
注意:
shell63号壳单元用来模拟桥面,箱形梁的各部件,(语意不明)link8单元用来模拟预应力钢筋。
(4)定义实常数:
路径:
MainMenu/Preprocessor/RealConstants/Add/Edit/Delete。
在弹出的(什么对话框?
请给出名称)对话框中单击“Add”按钮,选择shell63号单元,单击“OK”按钮,在图5-3的(什么对话框?
请给出名称)对话框中shellthicknessI处填入0.25;对于shell63号单元需要定义三种实常数,分别对应于箱形梁的顶层与底层(0.25)、腹板(0.6)、V形支撑的厚度
(1)。
定义完壳单元的实常数后,单击“Add”按钮,选择link8单元,单击“OK”按钮,在新的(什么对话框?
请给出名称)对话框中(图5-4)使面积Area=0.02,ISTRN=-0.005,(语意不明)然后单击“OK”按钮,再单击“Close”按钮关闭对话框。
图5-3 shell63号单元实常数定义图5-4 link8号单元实常数定义
(5)定义材料属性
路径1:
MainMenu/Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels。
路径2:
MaterialModelsAvailable/Structural/Linear/Elastic/Isotropic。
路径3:
MaterialModelsAvailable/Structural/Density
执行路径1,在弹出的(什么对话框?
请给出名称)对话框中在执行路径2,然后定义1号单元的弹性模量为3.251e10,泊松比为0.2;执行路径3,定义密度为2700。
(材料1对应于混凝土材料。
)
增加一个新的材料模型,同样执行路径2,3定义预应力钢筋的弹性模量为207e9,泊松比为0.3,密度为7800。
(6)保存数据
路径:
AnsysToolbar/SAVE_DB。
数据将保存到rigidbridge.db中。
(7)建立模型的关键点
在命令输入诓中输入以下命令流:
/VIEW,1,1,1,1!
以正等侧方式观看
/PREP7
ET,1,63
ET,2,8
R,1,0.25
R,2,0.6
R,3,1
R,4,0.02,-0.005
MP,EX,1,3.25E10
MP,PRXY,1,0.3
MP,DENS,1,2700
MP,EX,2,207E9
MP,PRXY,2,0.3
MP,DENS,2,7800
k,1!
建立主桥边界面上的关键点
k,2,4
k,3,10
k,4,16
k,5,20
k,6,24
k,7,30
k,8,36
k,9,40
k,10,4,-1.8
k,11,10,-1.8
k,12,16,-1.8
k,13,24,-1.8
k,14,30,-1.8
k,15,36,-1.8
SAVE
kgen,2,1,15,1,,,-16!
建立梁高为1.8m处的关键点
kgen,2,1,15,1,,,-85
kgen,2,1,15,1,,,-154
kgen,2,1,15,1,,,-170
SAVE
k,101,,,-36!
建立梁高为3m处的关键点
k,102,4,,-36
k,103,10,,-36
k,104,16,,-36
k,105,20,,-36
k,106,24,,-36
k,107,30,,-36
k,108,36,,-36
k,109,40,,-36
kgen,2,102,104,1,,-3,,8
kgen,2,106,108,1,,-3,,7
SAVE
kgen,2,101,115,1,,,-12,15
kgen,2,116,130,1,,,-12,15
kgen,2,131,145,1,,,-50,15
kgen,3,146,160,1,,,-12,15
SAVE
(8)建立箱形梁的顶层并划分网格
在命令输入窗口输入以下命令流:
*do,i,1,8,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,16,23,1
a,i,i+85,i+86,i+1
*enddo
*do,i,101,108,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,116,123,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,31,38,1
a,i,i+100,i+101,i+1
*enddo
*do,i,31,38,1
a,i,i+115,i+116,i+1
*enddo
*do,i,146,153,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,161,168,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,46,53,1
a,i,i+130,i+131,i+1
*enddo
*do,i,46,53,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
save
lesize,all,4!
设置单元长度为4
aatt,1,1,1!
顶层单元属性
amesh,all!
划分顶层面单元
建模后的几何形状及网格划分后的模型如图5-5、5-6所示。
(9)建立箱形梁的底层并划分网格
在建立底层前,先排除顶层面,即使顶层面为非有效面。
路径:
UtilityMenu/Select/Entity..
执行路径,在弹出的(什么对话框?
请给出名称)对话框的第一个下拉菜单中选择Area,第二个下拉菜单选择ByNum/Pick,单击Unselect,然后单击Apply/PickAll。
通过以下命令流建立底层:
*do,i,10,11,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,13,14,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,25,26,1
a,i,i+85,i+86,i+1
*enddo
*do,i,28,29,1
a,i,i+85,i+86,i+1
*enddo
*do,i,110,111,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,113,114,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,125,126,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,128,129,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
save
*do,i,40,41,1
a,i,i+100,i+101,i+1
*enddo
*do,i,43,44,1
a,i,i+100,i+101,i+1
*enddo
*do,i,40,41,1
a,i,i+115,i+116,i+1
*enddo
*do,i,43,44,1
a,i,i+115,i+116,i+1
*enddo
*do,i,155,156,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,158,159,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,170,171,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,173,174,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,55,56,1
a,i,i+130,i+131,i+1
*enddo
*do,i,58,59,1
a,i,i+130,i+131,i+1
*enddo
*do,i,55,56,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
*do,i,58,59,1
a,i,i+15,i+16,i+1
*enddo
save
lesize,all,4!
设置网格长度为4
aatt,1,1,1!
单元属性同顶层
amesh,all
(10)建立腹板并划分网格
在建立腹板前,采用与第九步相同的路径,使底层面积为非有效面。
然后通过以下命令流建立腹板几何模型:
*do,i,2,4,1
a,i,i+8,i+23,i+15
*enddo
*do,i,6,8,1
a,i,i+7,i+22,i+15
*enddo
*do,i,17,19,1
a,i,i+8,i+93,i+85
*enddo
*do,i,21,23,1
a,i,i+7,i+92,i+85
*enddo
*do,i,102,104,1
a,i,i+8,i+23,i+15
*enddo
*do,i,106,108,1
a,i,i+7,i+22,i+15
*enddo
*do,i,117,119,1
a,i,i+8,i+23,i+15
*enddo
*do,i,121,123,1
a,i,i+7,i+22,i+15
*enddo
*do,i,32,34,1
a,i,i+8,i+108,i+100
*enddo
*do,i,36,38,1
a,i,i+7,i+107,i+100
*enddo
*do,i,32,34,1
a,i,i+8,i+123,i+115
*enddo
*do,i,36,38,1
a,i,i+7,i+122,i+115
*enddo
*do,i,147,149,1
a,i,i+8,i+23,i+15
*enddo
*do,i,151,153,1
a,i,i+7,i+22,i+15
*enddo
*do,i,162,164,1
a,i,i+8,i+23,i+15
*enddo
*do,i,166,168,1
a,i,i+7,i+22,i+15
*enddo
*do,i,47,49,1
a,i,i+8,i+138,i+130
*enddo
*do,i,51,53,1
a,i,i+7,i+137,i+130
*enddo
*do,i,47,49,1
a,i,i+8,i+23,i+15
*enddo
*do,i,51,53,1
a,i,i+7,i+22,i+15
*enddo
save
网格划分设置:
路径1:
MainMenu/Preprocessor/Meshing/SizeCntrls/ManualSize/Lines/PickedLines/Box
路径2:
UtilityMenu/PlotCtrls/PanZoomRotate../Right&BoxZoom
路径3:
命令流格式:
esize,all,4
aatt,1,2,1!
实常数为2
amesh,all
执行路径1、2,选择z=0,-16,-85,-154,-170处沿Y方向的直线,设定网格划分数为1;同理选择z=-36,-48,-60,-110,-122,-134处沿Y方向的直线,设定网格划分数为2。
最后输入路径3的命令流。
LSEL,S,LENGTH,,1.8
LESIZE,ALL,,,1
LSEL,S,LENGTH,,3
LESIZE,ALL,,,2
esize,all,4
aatt,1,2,1!
实常数为2
amesh,all
(11)预应力钢筋的布置及网格划分
选择顶层和底层的布置了预应力钢筋的直线进行网格划分,(语句不通)命令流方式如下:
lsel,s,loc,x,3.9,4.1
lsel,a,loc,x,9,11
lsel,a,loc,x,15,17
lsel,a,loc,x,23,25
lsel,a,loc,x,29,31
lsel,a,loc,x,35,37
lsel,u,loc,y,-1.7,-0.1
lesize,all,4!
单元长度为4
latt,2,4,2!
单元为2,实常数为4,材料属性为2
lmesh,all
(12)建立V形支撑模型并划分网格
在建立V形支撑的模型之前,先使其他所有的面都处于非有效面状态,方法同步骤(9)。
命令流格式为:
asel,u,loc,y,-3.1,0.1
k,1001,4,-15,-48!
创建V形支撑上的关键点
k,1002,16,-15,-48
k,1003,24,-15,-48
k,1004,36,-15,-48
k,2001,4,-15,-122
k,2002,16,-15,-122
k,2003,24,-15,-122
k,2004,36,-15,-122
a,110,112,1002,1001!
创建V形支撑面
a,112,113,1003,1002
a,113,115,1004,1003
a,140,142,1002,1001
a,142,143,1003,1002
a,143,145,1004,1003
a,155,157,2002,2001
a,157,158,2003,2002
a,158,160,2004,2003
a,185,187,2002,2001
a,187,188,2003,2002
a,188,190,2004,2003
lesize,all,4 !
单元长度为4
aatt,1,3,1 !
实常数为3
amesh,all
nummrg,all!
合并重复元素
numcmp,all!
压缩编号
allsel
5.1.3加载及求解
(请添加相应的说明性文字)
(1)施加位移约束
将桥两侧的箱形梁的底层节点的Y方向的自由度约束;对V形支撑的底部节点的所有自由度约束。
命令流如下:
nsel,s,loc,z,-0.1,0.1
nsel,a,loc,z,-171,-169
nsel,r,loc,y,-1.9,-1.7
d,all,uy
allsel
nsel,s,loc,y,-16,-14
d,all,all
allsel
!
预应力净力求解
/SOLU
ACEL,,9.8
PSTRES,ON
ALLSEL
SOLVE
FINISH
!
预应力模态求解
/SOLU
ANTYPE,2
UPCOORD,1,ON
PSTRES,ON
MODOPT,SUBSP,10
MXPAND,10,,,1
ALLSEL
SOLVE
FINISH
(2)分析类型设置
路径1:
MainMenu/Solution/AnalysisType/NewAnalysis
路径2:
MainMenu/Solution/AnalysisType/Analysisoptions
执行路径1,在弹出的(什么对话框?
请给出名称)对话框中选择Modal分析。
执行路径2,在弹出的(什么对话框?
请给出名称)对话框中选择模态求解方法为Subspace,输入频率阶数为10,单击“OK”按钮,对随后的(什么对话框?
请给出名称)对话框不作任何输入。
(3)求解
路径:
MainMenu/Solution/Solve/CurrentLS
5.1.4计算结果及分析
(请添加相应的说明性文字)
路径1:
MainMenu/GeneralPostproc/ResultsSummary
路径2:
MainMenu/GeneralPostproc/ReadResults/FirstSet
路径3:
MainMenu/GeneralPostproc/PlotResults/DeformedShape
5.2悬索桥的受力分析
5.2.1问题的描述
分析悬索桥从最初安装悬索到最后运营整个过程的受力状况。
求解跨中结点的挠度的变化情况。
材料性能:
1.悬索和吊杆,
2.梁,
截面尺寸:
1.悬索,
2.吊杆,
3.梁,
结构尺寸:
桥长200,矢高20
初始条件:
悬索和吊杆有初应变
边界条件:
悬索两端铰支,大梁布置成简支结构。
以上都采用统一国际单位制。
5.2.2建模假设
在具体求解之前,需注意以下知识点:
(1)在自重作用下为悬链线形状。
为了简化索的找形求解,在建模时就已经近似按此形状生成节点。
但是还是要进行找形计算来估计近似的程度,这里针对本例题给出悬链线计算公式:
以跨中为坐标原点,纵向为x方向,竖向为y方向,生成节点,表5-2列出半跨节点坐标。
表5-1 半跨索节点坐标
节点号
X坐标
Y坐标
1
0
0
2
10
2.000266680889240e-001
3
20
8.004267576993129e-001
4
30
1.802161037066639e+000
5
40
3.206832494752689e+000
6
50
5.016688904768984e+000
7
60
7.234626423494774e+000
8
70
9.864194224145308e+000
9
80
1.290960017620603e+001
10
90
1.637571757892141e+001
11
100
2.000000000000000e+001
梁节点的坐标位置如表5-3所示。
表5-2 半跨梁节点坐标
节点号
X坐标
Y坐标
12
10
0
13
20
0
14
30
0
15
40
0
16
50
0
17
60
0
18
70
0
19
80
0
20
90
0
21
100
0
(2)桥梁的施工顺序。
施工时可以采用由跨中到两端的施工方法。
施工过程用单元的生死来模拟,如果对单元的生死技术理解有困难,请参考混凝土浇筑一节。
(3)体系的转换。
施工完成之后,梁将参与结构的受力,此时应该将由于梁的作用而加在索上的集中力删除,用梁本身的重量来代替,每根加劲梁的重量是可以计算的,W=50000。
(4)本结构采用自下而上的建模方法。
5.2.3自下而上建模
(1)打开ANSYSInteractive7.0Launcher输入文件名cable,单击run进入操作界面。
(2)进入MainMenu/Preferences,指定为结构分析。
选择单元。
进入MainMenu/Preprocessor/ElementType/Add/Edit/Delete增加单元如图5-37所示。
图5-37 单元类型定义
(3)定义实常数
进入MainMenu/Preprocessor/RealConstants/Add/Edit/Delete,输入各实常数的值,1号实常数AREA=1,ISTRN=1E-5。
2号实常数AREA=0.02,ISTRN=1E-5。
3号实常数AREA=0.5,IZZ=1/24,HEIGHT=1。
(4)定义材料属性
进入MainMenu/Preprocessor/MaterialProps/MaterialModels。
定义1号材料属性,在Structure/Linear/Elastic/Isotropic中输入弹性模量为25E10,泊松比为0.1,在Structure/Density中输入1000。
同理定义2号材料属性,弹性模量为30E10,泊松比为0.1,密度为1000。
(5)生成节点
按照上面表××中的数据,输入半跨悬索桥的节点坐标。
进入MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Nodes/InActiveCS进行交互输入,这里仅给出一个交互界面如图5-38所示,其他同理。
图5-38悬索节点坐标输入
(6)生成索单元
进入MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Elements/AutoNumbered/ThruNodes生成索单元,单元类型、实常数及材料号选为默认。
读者可以用鼠标选择节点来生成相应的单元。
MainMenu/Preprocessor/Modeling/Create/Elements/ElementsAttributes,同理选择单元类型为1、实常数为2及材料号为1,生成吊杆单元(右边界上的节点11,21无需连接成吊杆单元)。
再选择单元类型为2、实常数为3及材料号为2,生成梁单元。
生成的单元图5-39如下所示。
图5-39 半跨悬索桥单元
(7)进入MainMenu/Preprocessor/Reflect/Nodes,用镜像函
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