⽤ANSYS进⾏桥梁结构分析
宝来华龙海
引⾔：我院现在进⾏桥梁结构分析主要⽤桥梁博⼠和BSACS，这两种软件均以平⾯杆系为计算核，多⽤来解决平⾯问题。近来偶然接触到ANSYS，发现其结构分析功能强⼤，现将⼀些研究⼼得写出来，并⽤⼀个很好的学习例⼦（空间钢管拱斜拉桥）作为引⽟之砖，和同事们共同研究讨论，共同提⾼我院的桥梁结构分析⽔平⽽努⼒。
【摘要】本⽂从有限元的⼀些基本概念出发，重点介绍了有限元软件ANSYS平台的特点、使⽤⽅法和利⽤APDL语⾔快速进⾏桥梁的结构分析，最后通过⼯程实例来更近⼀步的介绍ANSYS进⾏结构分析的⼀般⽅法，同时进⾏归纳总结了各种单元类型的适⽤围和桥梁结构分析最合适的单元类型。 【关键词】ANSYS有限元APDL结构桥梁⼯程单元类型
⼀、基本概念
有限元分析(FEA)是利⽤数学近似的⽅法对真实物理系统（⼏何和载荷⼯况）进⾏模拟。还利⽤简单⽽⼜相互作⽤的元素，即单元，就可以⽤有限数量的未知量去逼近⽆限未知量的真实系统。
有限元模型是真实系统理想化的数学抽象。
真实系统有限元模型
⾃由度(DOFs)⽤于描述⼀个物理场的响应特性。
1、每个单元的特性是通过⼀些线性⽅程式来描述的。
2、作为⼀个整体，单元形成了整体结构的数学模型。
3、信息是通过单元之间的公共节点传递的。
4、节点⾃由度是随连接该节点单元类型变化的。
单元形函数
1、FEA 仅仅求解节点处的DOF 值。
2、单元形函数是⼀种数学函数，规定了从节点DOF 值到单元所有点处DOF 值的计算⽅法。
3、因此，单元形函数提供出⼀种描述单元部结果的“形状”。
4、单元形函数描述的是给定单元的⼀种假定的特性。
5、单元形函数与真实⼯作特性吻合好坏程度直接影响求解精度。
6、DOF 值可以精确或不太精确地等于在节点处的真实解，但单元的平均值与实际情况吻合得很好。
7、这些平均意义上的典型解是从单元DOFs 推导出来的（如，结构应⼒，热梯度）。
8、如果单元形函数不能精确描述单元部的DOFs ，就不能很好地得到导出数据，因为这些导出数据是通过单元形函数推导出来的。
节点: 空间中的坐标位置，具有⼀定⾃由度和
存在相互物理作⽤。
单元: ⼀组节点⾃由度间相互作⽤的数值、矩阵描述
（称为刚度或系数矩阵）。单元有线、⾯或实体以及
⼆维或三维的单元等种类。
荷载荷载有限元模型由⼀些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受⼀定载荷。
9、当选择了某种单元类型时，也就⼗分确定地选择并接受该种单元类型所假定的单元形函数。
10、在选定单元类型并随之确定了形函数的情况下，必须确保分析时有⾜够数量的单元和节点来精确描述所要求解的问题。⼆、选择ANSYS 进⾏结构的有限元分析桥型铰链
ANSYS 是惟⼀能实现多场及多场耦合分析，惟⼀实现前处理、求解及多场分析统⼀数据库和
具有多物理场优化功能的⼀体化⼤型FEA 分析软件。同时，ANSYS 软件拥有丰富和完善的单元库、材料模型库和求解器，保证了它能⾼效地求解各类结构的静⼒、动⼒、振动、线性和⾮线性问题，稳态和瞬间热分析及热-结构耦合问题，压缩和不可压缩的流体问题。
⼀个典型的ANSYS 分析过程可分为以下三个步骤：
1、创建有限元模型(Preprocessor)
- 创建或读⼊⼏何模型.
- 定义材料属性.
- 划分单元 (节点及单元).
从最低阶到最⾼阶，模型图元的层次关系为：
关键点(Keypoints)→线(Lines)→⾯(Areas)→体(Volumes)，如果低阶的图元连在⾼阶图元上，则低阶图元不能删除。创建顺序为关键点→线→⾯→体，删除顺序为体→⾯→线→点。节点单元节点单元⼆次曲线的线性近似
节点线性近似单元节点⼆次近似单元
①②④
2、加荷载进⾏求解(Solution)
- 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(General Postproc)
- 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：
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
1、LINK1 2-D Spar单元
应⽤围：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，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、LINK8 3-D Spar单元
应⽤围：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、LINK10 Tension-only or Compression-only Spar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、BEAM3 2-D Elastic Beam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。
⼀般假设：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，且长度不能为零，在不使⽤⼤挠度的情况，惯性矩可以为零。
应⽤限制：阻尼材料特性不能使⽤；只允许指定的特征为应⼒刚度和⼤应变形分析。
5、BEAM4 3-D Elastic Beam 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。
⼀般假设：同BEAM3
应⽤限制：阻尼材料特性不能使⽤；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；只允许指定的特征为应⼒刚度和⼤应变形分析。
6、PLANE42 2-D Structural Solid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。
应⽤限制：阻尼材料特性不能使⽤；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、SOLID45 3-D Structural Solid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/Lnear Plus程序中应该注意：阻尼材料特性不能使⽤；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．C OMBIN7、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，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。
豫公网安备41160202000603
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