ANSYS的橋梁結(jié)構(gòu)自重仿真探討
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論文導(dǎo)讀：橋梁結(jié)構(gòu)本身的自重時常占橋梁結(jié)構(gòu)所受荷載的很大部分。本文用大型通用軟件ANSYS模擬某連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁橋自重為例來說明ANSYS軟件在這方面的應(yīng)用。
關(guān)鍵詞：有限元，ANSYS，箱梁橋，自重
在橋梁結(jié)構(gòu)分析中，橋梁結(jié)構(gòu)本身的自重時常占橋梁結(jié)構(gòu)所受荷載的很大部分，準(zhǔn)確模擬橋梁結(jié)構(gòu)自重是常遇問題，橋梁中對等截面連續(xù)梁可看成均布荷載，但如果結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜—例如，變截面連續(xù)梁等，若沿橋梁軸線方向按均布荷載處理就不甚合理。本文用大型通用軟件ANSYS模擬某連續(xù)剛構(gòu)橋箱梁橋自重為例來說明ANSYS軟件在這方面的應(yīng)用。
1.ANSYS軟件及其工作流程
ANSYS軟件是融結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由世界上最大的有限元分析軟件公司之一的美國ANSYS開發(fā)，對自然界四大場—力場、流場、熱場、磁場實現(xiàn)全面分析；ANSYS用戶涵蓋了機械、航空航天、能源、交通運輸、土木建筑、水利、電子、地礦、生物醫(yī)學(xué)、教學(xué)科研等眾多領(lǐng)域，ANSYS是這些領(lǐng)域進(jìn)行國際國內(nèi)分析設(shè)計技術(shù)交流的分析平臺，是一個功能強大的有限元分析程序[1,2,3]。
ANSYS主要由前置處理(Preprocessing)、解題程序(solution)、后置處理 (Postprocessing)以及時間歷程等組成，在前處理方面，ANSYS的實體建模功能比較完善，提供了完整的布爾運算，還提供了拖拉、延伸、旋轉(zhuǎn)、移動、延伸和拷貝實體模型圖元的功能[1,2,3]。論文參考。在此，采用了ANSYS對該橋的溫度效應(yīng)進(jìn)行仿真分析。
ANSYS具有豐富的單元庫和材料庫，可以對任意結(jié)構(gòu)形式的橋梁進(jìn)行全橋仿真分析，較為精確的反映出橋梁在各種因素下的綜合特征，如橋梁的應(yīng)力應(yīng)變分布、變形等等。
2.工程實例
某橋橋梁全長287.54m。主橋上部采用35m＋60m＋90m＋60m＋35m預(yù)應(yīng)力混凝土剛構(gòu)-連續(xù)箱梁體系；主橋主墩采用雙薄壁式墩，主橋邊墩采用板式橋墩。橋箱梁橫斷面為單幅箱梁，全寬12.0m。箱梁縱向為變截面，變截面部分箱梁梁高按二次拋物線（y=0.001829x2）變化，其余箱梁梁高為等高度；頂板、腹板厚為分段線性變截面。主墩墩頂箱梁梁高5.00m，跨中及邊跨支點箱梁梁高2.00m，橋梁縱向線形圖、支點和跨中斷面結(jié)構(gòu)尺寸詳圖見圖2-1、圖2-2和圖2-3。
圖2-1 橋梁縱向箱梁結(jié)構(gòu)圖
圖2-2 支點橫斷面箱梁結(jié)構(gòu)尺寸圖（注：單位cm）
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圖2-3 跨中橫斷面箱梁結(jié)構(gòu)尺寸圖（注：單位cm）
3.ANSYS仿真分析
3. 1建模
ANSYS具有豐富的單元庫，常用單元有桿單元（link）、梁單元（beam）、板殼單元（shell）和實體單元（solid）。單元類型的合理選取很大程度上影響著能否科學(xué)合理的進(jìn)行研究。論文參考。本例選用如圖3-1所示的三維結(jié)構(gòu)實體單元來模擬結(jié)構(gòu)自重。
圖3-1 ANSYS材料庫中solid65單元圖
定義實常數(shù)的時候，有三個自由度，包括三個位移自由度X、Y、Z三個方向，由于自重的方向是豎直向下的，因而輸入Y為9.8（m/s2）。
應(yīng)用ANSYS進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析的時候需要定義材料特性，材料特性反映材料的基本物理力學(xué)特性，根據(jù)本例需要，現(xiàn)場實測的彈性模量為3.29×1010（Pa），密度取值為2.5×103（kg/m3）。論文參考。
ANSYS建模的時候，可以采用交互式界面輸入，對于初學(xué)者，對比較簡單的結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析的時候可采用這種方法；若結(jié)構(gòu)外形尺寸比較復(fù)雜，ANSYS仿真分析的時候，可以采用命令流的方法。由于本例是變截面箱梁，故采用了命令流的方法，用ANSYS建立的模型如圖3-2：
圖3-2 ANSYS建立的模型圖
用ANSYS進(jìn)行有限元仿真分析的時候，建立模型后需要劃分單元。本例中建立了橋梁的總體模型，為方便起見，用總體單元尺寸的命令流作自由式網(wǎng)格劃分就能滿足要求。劃分完網(wǎng)格后的有限元計算模型如圖3-3：
圖3- 3 ANSYS建立的模型單元劃分圖
3. 2加載與求解
正確合理的加載是ANSYS仿真分析中的關(guān)鍵步驟，在不同的分析中，荷載亦不盡相同，如:位移、集中力、均布力、溫度和電流、電壓、水壓、速度等。ANSYS中的荷載分為六類:DOF(自由度)約束力、力(集中荷載)、表面荷載、體荷載、慣性力以及藕合場荷載[1,2,3,4]。
兩剛構(gòu)墩底部受到基礎(chǔ)各個方向的約束，所以進(jìn)行d,all,all約束，在其他支座和橋臺處受到豎直方向的約束，因而進(jìn)行d,all,uy約束，在有限單元模型上施加約束后的圖形如圖3-4： 
圖3-4 ANSYS建立的模型施加約束圖
對以上所有前處理過程進(jìn)行核對無誤后，進(jìn)入求解程序進(jìn)行計算求解。
3.3后置處理
ANSYS有著功能強大的后處理器，借助它可以將解題部分所得的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等解答數(shù)據(jù)以各種不同的表示方式顯示出來。
進(jìn)行求解后得到的全橋在自重作用下的變形圖如圖3-5：
圖3-5 ANSYS建立的模型求解后變形圖
進(jìn)行求解后得到的全橋在自重作用下沿橋梁縱向的應(yīng)力圖如圖3-6：
圖3-6 有限元求解后縱橋向應(yīng)力圖
從應(yīng)力圖中，可非常清楚地看出應(yīng)力的分布情況及極值。
ANSYS還可以以列表的形式表示出各節(jié)點的位移或應(yīng)力，同時給出相應(yīng)的極值與節(jié)點編號，并且分析者可以以記事本的方式對文件命名另存。本例跨中節(jié)點位移及最大值如圖3-7：
圖3-7有限元求解后節(jié)點位移輸出圖
4.結(jié)語
由以上分析可知：用ANSYS分析軟件進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)重力的模擬是可行的；利用ANSYS進(jìn)行橋梁結(jié)構(gòu)自重仿真分析時，在科學(xué)合理的建立模型、合理的劃分單元、正確施加荷載與約束的情況下，可以有效地對橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析研究，并且可以獲得直觀而條理清晰的結(jié)果。
參考文獻(xiàn)：
[1]. 唐興倫，范群波，張朝暉，李春陽.ANSYS工程應(yīng)用教程.北京：中國鐵道出版社，2003
[2]. 陳精一，蔡國忠.電腦輔助工程分析ANSYS使用指南［Ｍ］.北京：中國鐵道出版社，2006
[3]. 王富恥，張朝暉.ANSYS10.0有限元分析理論與工程應(yīng)用［Ｍ］.北京：電子工業(yè)出版社，2006
[4]. 成全，張文煥.ANSYS軟件對于結(jié)構(gòu)自重的模擬. ［J］.山西農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006
[5].姚玲森.橋梁工程［Ｍ］.北京：人民交通出版社，1985
[6]. 項海帆.高等橋梁結(jié)構(gòu)理論［Ｍ］.北京：人民交通出版社，2002
[7]. 張立新，徐長航等.ANSYS7.0基礎(chǔ)教程［Ｍ］.北京：機械工業(yè)出版社，2006
