ANSYS在桥梁工程中的应用

ANSYS在桥梁工程中的应用

第33卷第2期东 北 林 业 大 学 学 报

Vo.l33No.2

ANSYS在桥梁工程中的应用

孙 勇

岑成贤

(黑龙江省公路勘察设计院,哈尔滨,150040) (东北林业大学)

摘 要 主要介绍了ANSYS在桥梁工程应用中常用的一些单元类型、建模的方法以及常用的建模组合方式,

希望能为广大工程技术人员在应用ANSYS进行计算分析时提供帮助。

关键词 ANSYS;有限元;单元类型;建模方法分类号 TP391.7

TheApplicationofANSYStoBridgeEngineering/SunYong(SurveyingandDesigningInstituteoftheHighwayofHei longjiangProvince,Harbin150040,P.R.China);CenChengxian(NortheastForestryUniversity)//JournalofNortheastForestryUniversity.-2005,33(2).-104~105

Thepaperdealswithsomeelementtypes,generalmodelingmethodsandcommonmodelingcombinationsofANSYSsoftwareinthebridgeengineering,whichwouldprovidesomereferencesfortechniciansinmakingfulluseofANSYS.

Keywords ANSYS;Finiteelement;Elementtype;Modelingmethod 随着现代交通的不断发展,桥梁的载重、跨径和桥面宽度

也在不断地增长,桥梁结构形式不断变化,桥梁的计算、力学分析和施工方法也在日趋复杂。目前在桥梁工程领域内常用的分析方法及数值模拟方法有:有限元法、边界有限元法、离散单元法和有限差分法。就广泛而言,有限元法在结构分析中的地位是不可代替的。

随着计算机技术的发展,有限元分析方法在桥梁工程中得到了越来越广泛的应用,同时以有限元理论为基础的大型计算软件也随之产生,如ADINA、ANSYS、MAC等。其中AN SYS是美国ANSYS公司设计开发的功能强大的大型有限元分析软件,近年来ANSYS软件不断吸取新的计算方法和计算技术,随着交互方式的加入,大大简化了模型的生成和结果的评价,特别是强大的后处理功能,方便了设计人员在程序进行有限元分析后的数据处理和结果分析,缩短了设计周期,目前ANSYS已成为桥梁工程师们在进行桥梁结构设计分析时常用的热门软件之一。

的基础受力、变形及约束情况,常用以下方法来实现。

基础与桩基:用实体模型与预应力配筋。

基础与岩土系统:有限区域实体模型和预应力配筋。

2 桥梁仿真单元的选择

单元是有限元模型的基础,因此单元的类型对于有限元分析至关重要。一个有限元程序所提供的单元类型越多,这个程序的功能则越强大。在ANSYA单元库中,有近200种单元类型,有二维的、三维的、梁、板、壳等,可以模拟和分析大多数的工程问题,而且每一个单元类型都有自己的一个特定的编号和一个标识单元级别的前缀,如BEAM3,LINK8等。

在选择单元类型后,就要输入相应的参数,也就是每个单元的实常数,它是用于描述那些用单元几何形状不能完全确定的几何参数。许多单元的参数是相同的,如弹性模量、密度等,如果对所要填的参数的意思不大理解,或者说对于所填的参数的意义不是很清楚,我们可以打开ANSYS的帮助文件HELP来查看相关的内容,对于每个单元ANSYS的帮助文件给用户提供了十分详细的说明以及应该注意的事项。但是不同的单元类型却有不同的性质和特点,有着各自的适用范围,也有各自的模拟对象。单元类型的选择将直接影响到计算结果的精度,同时也影响到网格的划分。不同的单元对网格的划分要求也不同,而且网格的划分规则与否也将影响到计算的精度。不同结构形式的桥梁具有不同的力学行为,必须针对性选择单元,才能真实有效地得到计算结果,为分析提供帮助。

如link1,它是二维空间,只考虑轴向的拉力及压力,而不考虑弯矩,适用于模拟桁架、杆件、弹簧等构件。

Link8它是三维空间,承受单轴拉力-压力,每个节点具有X、Y、Z位移方向的自由度,无法承受弯矩,但它的塑性、潜变、膨胀、应力强化、大变形的特性皆可包含,与link1相比,link8更适用于模拟预应力钢筋。

对于实体单元solid65,它适用于抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料单元,因此在ANSYS中常用它来模拟混凝土,它可以模拟混凝土中的加强钢筋以及材料的拉裂和压溃现象。

对于支座、绳索、拉杆等桥梁部件,常用Cobin7、Combin40、link11、contact52、combin38单元来模拟,而且con tact52还可以模拟滑动支座、销接等部件的真实情况。

是否能够显示单元所反映的实际形状,取决于所选择的单元类型。如果我们要计算的主梁的截面是矩形,当我们选择的是2D的梁单元Beam3,则无法显示其形状,显示的是一条线(如图2所示);而选择的是Beam188,却可以真实地反映单元的实际形状(如图1所示)。

因此,我们应用ANSYA进行桥梁结构计算分析时,首先要弄清楚我们所要进行的计算的内容,然后根据要求选择适

1 ANSYS在桥梁工程中的建模

桥梁结构是一个复杂的体系,它由多个部件构成如桥面铺装、支座、各种截面的主梁等,各部件之间都密切地联系着。因此,我们在用ANSYS对桥梁结构进行力学计算分析时,模型建立得是否合理就显得十分关键,而且需要在建立桥梁模型时要准确确定模型的边界条件,同时要准确分析连接部位的固有特性。边界条件的确定是个非常重要的因素,它是各部件之间相互联系的重要条件,不合理边界条件的选择往往会使有限元中的刚度矩阵发生奇异,使程序无法正常进行计算,施加正确的边界条件是获得正确的分析结果和较高的分析精度的重要条件之一。

ANSYS中桥梁模型建立常用的组合有以下几种。 刚构桥、拱桥:梁单元和杆单元组合。 钢管混凝土桥:复合截面梁。!连续梁:梁单元。 斜拉桥、悬索桥:梁、板、壳、杆单元组合。#立交桥:实体墩、板壳桥面和加强梁组合。 桩、土地基、支座系统:弹簧-阻尼系统。%连接部位:耦合约束方程。&桥面系:截面梁、配筋梁、板壳单元组合。

为了真实地模拟桥梁的实际情况,需要真实地模拟桥梁

第一作者简介:孙勇,男,1978年9月生,黑龙江省公路勘察设计院,助理工程师。

收稿日期:2004年10月13日。责任编辑:戴芳天。

ANSYS在桥梁工程中的应用

第2期 孙 勇等:ANSYS在桥梁工程中的应用 用的单元类型,这样才能更好地进行模拟,才能得到我们所想

要的计算结果。

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所谓整体式是将混凝土和预应力力筋的作用一起考虑,优点为预应力的模拟可以采用初应变法或降温法。降温法就是给体外筋单元施加温度值来模拟张拉预应力的大小,温度值通过张拉预应力的值反算得到。其中降温法比较简单,同时还可以模拟预应力筋的应力损失及其在外荷载作用下的应力增量。由于预应力钢筋的位置一定,可以比较真实地模拟预应力钢筋对结构的影响和作用。作用在梁上的任何荷载都由力筋和混凝土共同承担,可以得到预应力钢筋在任何外荷载作用下的应力和应变,可以模拟预应力钢筋的应力损失的影响。

两种方法各有优点和缺点,选择哪一种方法要根据对桥梁进行建模的不同的计算目的来确定。图3所示的是用降温法时ANSYS对预应力混凝土简支梁进行模拟计算的主应力云图。由

图我们可以比较真实地看到梁的变形情况和应力分布情况。

图1 用Beam188

单元模拟梁的形状

图3 主应力云图

4 结束语

ANSYS作为大型通用有限元程序,目前广泛应用于桥梁工程、结构工程、岩土工程、水利工程等领域。如何能更好地把它作一种辅助手段进行优化设计,是广大设计工作者与工程技术人员们要面对的问题。这需要技术人员花大量的精力去熟悉应用环境和系统资源,掌握相关的技术,研究应用规律的技巧和分析不同问题的技巧。但是这个过程是很困难的,因为ANSYS只是我们工作和研究的工具之一,我们需要的也往往只是其中的一个部分,如何在最短时间内掌握所关心的技术才是我们的关键所在。为了能使ANSYS这个大型软件能充分为我们服务,就要求我们除了要掌握有限元理论、桥梁结构理论等相应的专业知识外,同时还要在实践中不断摸索和积累经验,这样才能对程序的计算结果进行分析和利用。

参 考 文 献

1 姚玲森.桥梁工程.北京:人民交通出版社,1997

2 陈精一,蔡国忠.电脑辅助工程分析-ANSYS使用指南.北京:中国铁道出版社,2001

图2 用BEAM3单元模拟梁的形状

3 ANSYS对预应力模拟的方法

预应力结构是近年来工程上常用的结构,用ANSYS对预应力结构进行模拟常用的方法有分离式和整体式,而通常采用link8单元模拟预应力钢筋,用solid65单元模拟混凝土。

所谓分离式是指将混凝土和预应力筋的作用分别考虑,以荷载的形式取代预应力筋的作用,如等效荷载法。它的优点是建模简单,不必考虑力筋的位置而直接建模。它的缺点也比较明显,当预应力钢筋的布置比较复杂时,用等效荷载法模拟比较困难,而且可能产生较大误差;在外荷载作用下,难以考虑外荷载和预应力钢筋的共同作用,不能模拟预应力钢筋在外荷载作用下的应力增量;对体内有粘结预应力构件,无法模拟应力损失引起的钢筋各处应力不等。

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