_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

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 Menu>Preferences，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 Menu>File>Change 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