_ANSYS桥梁工程应用实例分析

本章介绍桥梁结构的模拟分析。桥梁是一种 重要的工程结构，精确分析桥梁结构在各种受力 方式下的响应有较大的工程价值。模拟不同类型 的桥梁需要不同的建模方法，分析内容包括静力 分析、动荷载响应分析、施工过程分析等等。在 本章中着重介绍桁架桥、刚架桥和斜拉桥三种类 型桥梁。 内容 提要 第 6 章 ANSYS 在桥梁工程应用实例分析 本章重点 结构分析具体步骤 结构静力分析 桁架结构建模方法 结构模态分析 本章典型效果图 第 6 章 ANSYS 桥梁工程应用实例分析 6.1 引言 ANSYS 通用有限元软件在土木工程应用分析中可发挥巨大的作用。我们用它来分析桥梁工 程结构，可以很好的模拟各种类型桥梁的受力、施工工况、动荷载的耦合等。 ANSYS 程序有丰富的单元库和材料库，几乎可以仿真模拟出任何形式的桥梁。静力分析中， 可以较精确的反应出结构的变形、应力分布、内力情况等；动力分析中，也可精确的表达结构 的自振频率、振型、荷载耦合、时程响应等特性。利用有限元软件对桥梁结构进行全桥模拟分 析，可以得出较准确的分析结果。 本章介绍桥梁结构的模拟分析。作为一种重要的工程结构，桥梁的精确分析具有较大的工 程价值。桥梁的种类繁多，如梁桥、拱桥、钢构桥、悬索桥、斜拉桥等等，不同类型的桥梁可 以采用不同的建模方法。桥梁的分析内容又包括静力分析、施工过程模拟、动荷载响应分析等。 可以看出桥梁的整体分析过程比较复杂。总体上来说，主要的模拟分析过程如下： （1） 根据计算数据，选择合适的单元和材料，建立准确的桥梁有限元模型。 （2） 施加静力或者动力荷载，选择适当的边界条件。 （3） 根据分析问题的不同，选择合适的求解器进行求解。 （4） 在后处理器中观察计算结果。 （5） 如有需要，调整模型或者荷载条件，重新分析计算。 桥梁的种类和分析内容众多， 不同类型桥梁的的分析过程有所不同， 分析侧重点也不一样。 在这里仅仅给出大致的分析过程，具体内容还要看具体实例的情况。 6.2 典型桥梁分析模拟过程 6.2.1 创建物理环境 建立桥梁模型之前必须对工作环境进行一系列的设置。 进入 ANSYS 前处理器， 按照以下 6 个步骤来建立物理环境： 1、设置 GUT 菜单过滤 2、定义分析标题（／TITLE） 3、说明单元类型及其选项（KEYOPT 选项） 4、设置实常数和单位制 5、定义材料属性 第 6 章 桥梁工程分析 1 1．设置 GUI 菜单过滤 如果你希望通过 GUI 路径来运行 ANSYS，当 ANSYS 被激活后第一件要做的事情就是选 择菜单路径：Main MenuPreferences，执行上述命令后，弹出一个如图 6-1 所示的对话框出现 后，选择 Structural。这样 ANSYS 会根据你所选择的参数来对 GUI 图形界面进行过滤，选择 Structural 以便在进行结构分析时过滤掉一些不必要的菜单及相应图形界面。 图 6-1 GUI 图形界面过滤 2．定义分析标题 在进行分析前，可以给你所要进行的分析起一个能够代表所分析内容的标题，比如“truss bridge” ，以便能够从标题上与其他模型区别。用下面的 GUI 方法定义分析标题。 命令：／TITLE GUI：Utility MenuFileChange Title 图 6-2 GUI 定义标题 3．定义单元类型及其选项（KEYOPT 选项） 与 ANSYS 的其他分析一样，结构分析也要进行相应的单元选择。ANSYS 软件提供了 100 种以上的单元类型，可以用来模拟工程中的各种结构和材料，各种不同的单元组合在一起，成 为具体的物理问题的抽象模型。在桥梁结构模拟分析中，最常用的单元是梁单元，例如，梁单 元可模拟不同截面的钢梁、混泥土梁等；壳单元和杆单元也很常用，壳单元可以模拟桥面板箱 梁等薄壁结构， 杆单元可以模拟预应力钢筋和桁架等。 定义好不同的单元及其选项 （KEYOPTS） 第 6 章 ANSYS 桥梁工程应用实例分析 后，就可以建立有限元模型。可以采用线性或者非线性的结构单元。 表 6-1 桥梁分析常见单元 单元 维数 形状和自由度 特性 LINK8 3-D 线形，2 节点， 3 自由度 刚性杆，可承受拉力和压力，用来定义桁架等。 可定义其截面积和初始应变。和初始应变。 LINK10 3-D 线形，2 节点， 3 自由度 只能承受拉力的柔性杆，用来模拟索单元。可定 义其截面积和初始应变。 BEAM3 2-D 线形，2 节点， 3 自由度 二维弹性梁，可定义其截面积、惯性矩、初始应 变、截面高度等。 BEAM4 3-D 线形，2 节点， 6 自由度 三维弹性梁，可定义其截面积、截面形状、三向 惯性矩、初始应变、截面高宽等。 BEAM44 3-D 变截面不对称，2 节点，6 自由度 三维弹性梁，可定义多个截面的截面积、截面形 状、三向惯性矩、初始应变、截面高宽等。 SHELL63 3-D 四边形或三角形， 4 节点，6 自由度 三维弹性壳，可定义其节点处厚度、刚度、初始 弯曲曲率等。 设置单元以及其关键选项的方式如下： 命令：ET KEYOPT GUI：Main Menu Preprocessor Element Type Add/Edit/Delete 图 6-3(a) GUI 添加单元类型 第 6 章 桥梁工程分析 1 图 6-3(b) GUI 选择单元类型 4．设置实常数和单位制 单元实常数和单元类型密切相关，用 R 族命令（如 R，RMODIF 等）或其相应 GUI 菜单 路径来说明。例如在结构分析中，你可以用实常数定义梁单元的横截面积、惯性矩以及高度等。 当定义实常数时，要遵守如下二个规则： 1） 必须按次序输入实常数。 2） 对于多单元类型模型，每种单元采用独立的实常数组（即不同的 REAL 参考号） 。但 是，一个单元类型也可同时注明几个实常数组。 命令：R GUI：Main Menu Preprocessor Real Constants Add/Edit/Delete 图 6-4(a) GUI 定义实常数 第 6 章 ANSYS 桥梁工程应用实例分析 图 6-4(b) GUI 定义实常数 在结构分析中，系统没有设置单位制，我们可以根据自己的需要选用各种单位制。在本章 的实例中，所有算例都采用国际单位制，即 m、N、kg、s、Pa、Hz 等。 5．创建截面 在桥梁结构分析中，采用梁单元一般都需要定义梁单元的截面。在 ANSYS 中，既可以建 立一般的截面（即标准的几何形状和单一的材料） ，也可以建立自定义截面（即截面形状任意也 可以是多种材料） 。 命令：SECTYPE SECDATA SECOFFSET GUI：Main Menu Preprocessor Sections Beam Common Sections。 也可以通过用户定义网格建立自定义截面，此时必须建立用户网个文件。首先要建立一个 2D 实体模型，然后保存 命令：SECWRITE GUI：Main Menu Preprocessor Sections Beam Write Sec Mesh。 6．定义材料属性 桥梁几何模型中可以有一种或多种材料：包