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实体单元与梁单元数值分析的差异性剖析及应用石广斌【摘要】摘要:混凝土框架结构可用梁单元，也可用实体单元进行数值分析，但两种单元计算结果之间存在一定差异;文中用ANSYS中Solid单元和Beam 单元对一个简单的框架进行应力或内力计算，指出两者之间计算差异的根源，并结合新颁布的DL/T 5057－2009《水工混凝土结构设计规范》论述怎样用Solid单元计算出的正应力和剪应力进行结构承载能力分析。
【期刊名称】西北水电【年(卷),期】2012(000)001【总页数】5【关键词】关键词:ANSYS;实体单元;杆件单元;结构力学法;差异性水电站厂房下部结构(如蜗壳和尾水管等)是大体积，为非杆件结构。
这类结构具有形状不规则、构件尺寸比值偏小、体积大、孔口多等特点;厂房上部结构为板梁柱，一般属于杆件结构。
厂房整体数值分析时，下部结构用实体单元模拟;为了建模的方便，也是为了压缩计算容量，上部梁柱结构一般用梁单元模拟。
然而对同一数值分析模型，既用梁单元，又用实体单元，存在单元自由度偶合问题;而上部梁柱结构若要实体单元去模拟，其计算结果与梁单元计算出的结果，又存在一定的差异，这个差异是多少，对结构的承载能力分析又有多大的影响，是值得探讨的。
文中就以某工程两层简单框架为算例，用Solid单元、Beam 单元分别计算框架结构的应力或内力，并分析两者计算结果之间的差异，以及怎样用实体单元的应力进行结构承载能力计算。
1 实例概况某框架结构净跨为800 cm(如图1)，柱和梁的截面均为50 cm×100 cm(b×h)，第1层净高为500 cm，第2层净高为450 cm;框架左右侧柱均布荷载q=10.0 kN/m，第1 层梁均布荷载 q=10.0 kN/m，顶梁均布荷载q=20.0 kN/m，如图2(b)。
结构所受的外荷载均为可控制荷载，图2(b)所标注的荷载均为设计值。
混凝土等级为C25，结构安全级别为2级，本文只分析持久状况。
单梁、折面梁格与实体（ANSYS）计算结果对比第一部分：单箱单室箱梁桥对比1.1 结构形式某跨径为30米的简支梁，截面采用单箱单室宽箱梁（如图1.1所示）。
图1.1 箱梁截面示意图（单位：mm）对不同模型进行两种工况的分析：1）工况1，自重作用下；2）工况2，两束无弯起预应力筋作用下，预应力大小为10MN分别作用在腹板中心线距梁顶1.625米处，不计入预应力损失，预应力线型为直线。
模型中预应力采用在梁端腹板上加集中荷载的方式模拟。
对两种工况下的各项计算结果进行分析对比。
约束均设置在腹板中心线处。
1.2 分析模型共建立三种分析模型：1）单梁模型：取整个截面为有限元单元截面。
2）折面梁格模型：将截面在横向划分为几个部分（如图1.2），建立折面梁格模型（悬臂带刚臂），如图1.3所示；3）实体模型：采用ANSYS中实体单元solid45建立模型，如图1.4所示。
图1.2 折面梁格模型截面划分示意图图1.3 折面梁格模型示意图图1.4 ANSYS实体模型示意图1.3 计算结果分析对比1.3.1 支座反力对比1) 工况一：自重作用下表1.1 自重作用下结构支反力对比表（kN）结论：通过支反力对比表1.1可以看出，各种模型的支反力分布基本一致。
横向两个支座的反力可以认为是单梁中一个支座的反力平均分配后得到。
2) 工况二：预应力作用下简支梁在水平向预应力作用下不产生支座反力，不进行对比。
1.3.2 纵向正应力对比由于结构的对称性，选取箱梁截面的一半进行上、下缘沿桥跨纵向正应力的对比（如图1.6所示区域），对比结果见图1.7~图1.12。
应力图中，上缘是指顶板中间面层，下缘是指底板中间面层。
纵坐标为正应力值，单位为kPa，注：梁格模型自动得到各个单元上、下缘的应力值；实体模型中选取实体单元的节点应力（翼板上、中、下层应力的选取）。
梁格模型无法反应顶、底板的局部效应，而ANSYS实体中分析结果包括了整体效应及局部效应，故在数据分析时主要对顶底板的中间层（截面中心线）所在位置的应力进行对比。
事第七章“结果”中的常见问题 (3)7.1 施工阶段分析时，自动生成的“CS：恒荷载”等的含义？ (3)7.2 为什么“自动生成荷载组合”时，恒荷载组合了两次？ (3)7.3 为什么“用户自定义荷载”不能参与自动生成的荷载组合？ (4)7.4 为什么在自动生成的正常使用极限状态荷载组合中，汽车荷载的组合系数不是0.4或0.7？ (5)7.5 为什么在没有定义边界条件的节点上出现了反力？ (5)7.6 为什么相同的两个模型，在自重作用下的反力不同？ (6)7.7 为什么小半径曲线梁自重作用下内侧支反力偏大？ (6)7.8 为什么移动荷载分析得到的变形结果与手算结果不符？ (7)7.9 为什么考虑收缩徐变后得到的拱顶变形增大数十倍？ (8)7.10 为什么混凝土强度变化，对成桥阶段中荷载产生的位移没有影响？ (8)7.11 为什么进行钢混叠合梁分析时，桥面板与主梁变形不协调？ (9)7.12 为什么悬臂施工时，自重作用下悬臂端发生向上变形？ (10)7.13 为什么使用“刚性连接”连接的两点，竖向位移相差很大？ (11)7.14 为什么连续梁桥合龙后变形达上百米？ (12)7.15 为什么主缆在竖直向下荷载作用下会发生上拱变形？ (13)7.16 为什么索单元在自重荷载作用下转角变形不协调？ (14)7.17 为什么简支梁在竖向荷载下出现了轴力？ (14)7.18 为什么“移动荷载分析”时，车道所在纵梁单元的内力远大于其它纵梁单元的内力？157.19 如何在“移动荷载分析”时，查看结构同时发生的内力？ (15)7.20 空心板梁用单梁和梁格分析结果相差15%？ (17)7.21 为什么徐变产生的结构内力比经验值大上百倍？ (17)7.22 如何查看板单元任意剖断面的内力图？ (18)7.23 为什么相同荷载作用下，不同厚度板单元的内力结果不一样？ (19)7.24 为什么无法查看“板单元节点平均内力”？ (21)7.25 如何一次抓取多个施工阶段的内力图形？ (21)7.26 如何调整内力图形中数值的显示精度和角度？ (22)7.27 为什么在城-A车道荷载作用下，“梁单元组合应力”与“梁单元应力PSC”不等？257.28 为什么“梁单元组合应力”不等于各分项正应力之和？ (25)7.29 为什么连续梁在整体升温作用下，跨中梁顶出现压应力？ (25)7.30 为什么PSC截面应力与PSC设计结果的截面应力不一致？ (26)7.31 为什么“梁单元应力PSC”结果不为零，而“梁单元应力”结果为零？ (26)7.32 如何仅显示超过某个应力水平的杆件的应力图形？ (27)7.33 为什么“水化热分析”得到的地基温度小于初始温度？ (29)7.34 “梁单元细部分析”能否查看局部应力集中？ (30)7.35 为什么修改自重系数对“特征值分析”结果没有影响？ (30)7.36 为什么截面偏心会影响特征值计算结果？ (31)7.37 为什么“特征值分析”没有扭转模态结果？ (32)7.38 “屈曲分析”时，临界荷载系数出现负值的含义？ (32)7.39 “移动荷载分析”后自动生成的MVmax、MVmin、MVall工况的含义？ (33)7.40 为什么“移动荷载分析”结果没有考虑冲击作用？ (33)7.41 如何得到跨中发生最大变形时，移动荷载的布置情况？ (34)7.42 为什么选择影响线加载时，影响线的正区和负区还会同时作用有移动荷载？357.43 为什么移动荷载分析得到的结果与等效静力荷载分析得到结果不同？ (35)7.44 如何求解斜拉桥的最佳初始索力？ (36)7.45 为什么求斜拉桥成桥索力时，“未知荷载系数”会出现负值？ (38)7.46 为什么定义“悬臂法预拱度控制”时，提示“主梁结构组出错”？ (38)7.47 如何在预拱度计算中考虑活载效应？ (38)7.48 桥梁内力图中的应力、“梁单元应力”、“梁单元应力PSC”的含义？ (39)7.49 由“桥梁内力图”得到的截面应力的文本结果，各项应力结果的含义？ (40)7.50 为什么定义查看“结果>桥梁内力图”时，提示“设置桥梁主梁单元组时发生错误！”？ (41)7.51 为什么无法查看“桥梁内力图”？ (41)7.52 施工阶段分析完成后，自动生成的“POST：CS”的含义？ (42)7.53 为什么没有预应力的分析结果？ (42)7.54 如何查看“弹性连接”的内力？ (44)7.55 为什么混凝土弹性变形引起的预应力损失为正值？ (44)7.56 如何查看预应力损失分项结果？ (45)7.57 为什么定义了“施工阶段联合截面”后，无法查看“梁单元应力”图形？ . 46 7.58 为什么拱桥计算中出现奇异警告信息？ (47)7.59 如何在程序关闭后，查询“分析信息”的内容？ (48)第七章“结果”中的常见问题7.1施工阶段分析时，自动生成的“CS：恒荷载”等的含义？具体问题进行施工阶段分析，程序会自动生成CS：恒荷载、CS：施工荷载、CS：收缩一次、CS：收缩二次、CS：徐变一次、CS：徐变二次、CS：钢束一次、CS：钢束二次、CS：合计，这些荷载工况各代表什么含义？在结果查看时有哪些注意事项？相关命令——问题解答MIDAS在进行施工阶段分析时，自动将所有施工阶段作用的荷载组合成一个荷载工况“CS：恒荷载”；如果想查看某个或某几个施工阶段恒荷载的效应，可以将这些荷载工况从“CS：恒荷载”分离出来，生成荷载工况“CS：施工荷载”；钢束预应力、收缩徐变所产生的直接效应程序自动生成荷载工况“CS：钢束一次”、“CS：收缩一次”、“CS：徐变一次”，由于结构超静定引起的钢束预应力二次效应、收缩徐变二次效应，程序自动生成荷载工况“CS：钢束二次”、“CS：收缩二次”、“CS：徐变二次”；“CS：合计”表示所有施工荷载的效应。
迈达斯梁格法讨论1．在用桥博进行梁格法计算时，在单元的截面信息中输入的自定义抗扭惯性矩是整个纵向构件单元截面的抗扭惯性矩，还是如【桥梁上部构造性能】中所提，不包括腹板在内的仅由顶、底板构成的抗扭惯性矩？答：我曾经对同一座简支弯桥分别用桥博单梁、梁格和MIDAS单梁、梁格建模计算进行比较分析。
结果表明：1、仅考虑恒载的情况；对于梁格法，无论是桥博还是MIDAS，内力而言，四种模型计算结果弯矩结果一致（我所说的一致指误差在5%以内），程序无法提供腹板剪力流产生的扭矩，在手动计算并组合后，两种程序梁格法计算的扭矩结果一致，且均较单梁计算的扭矩略偏大，约10%左右（这应该是由于刚度模拟误差产生的），由此可以得出汉勃利对于梁格法力学理论的阐述是正确的，因此，对于梁格法，我个人的观点，其可以考虑弯扭耦合而得出较精确的弯矩并指导整体受力配筋是没有疑问的，问题在于，梁格法扭矩需修正的适用性，我们可以通过手动计入两侧腹板剪力流产生的扭矩来得到较为正确的扭矩并无异议，但对于很多情况这并不利于直接指导我们设计，比如我们需要观察扭矩包络图来判断弯桥偏心的设置时，会发现我们直接用单梁模型可以更为节省时间和精力（至少无需你去修正组合）而得到可以直接应用的数据，单梁的缺陷在于不能正确考虑各片梁实际受力的差异，但这并不影响整体的设计，比如偏心的设计，整体抗扭性能的评估，而在细节上的处理，我们需要用梁格法的计算去确保安全。
2、关于活载的情况，梁格法而言，出于分析对比，我也用桥博和MIDAS分别计算了活载下的关键截面扭矩对比，在这里就不说弯矩了，因为结果比较吻合（8%的差别）。
MIDAS自定义车道比较方便，可以同时考虑多种工况，这比桥博方便许多，但需要注意的是，对于同一工况，如果你用不同的梁来做偏心实现的话，产生的内力差别很大，且用哪片梁直接导致这片梁内力变大，我用的是V6.71，不知道MIDAS2006是否没有这样的问题，为了解决这一问题，我在活载偏载于哪片梁时，采取该片梁去定义车道偏心，结果表明，两种程序计算结果比较吻合。
梁格分析梁格分析目录梁格分析 ·················································································································································· 2 概述 ······················································································································································ 2 1、工程概况········································································································································· 2 2、40M预应力混凝土简支T梁 ············································································································ 3 一、纵梁截面情况············································································································································ 3 二、横梁截面 ··················································································································································· 5 三、移动荷载定义············································································································································ 6 四、边界条件 ··················································································································································11 五、结果处理 ··················································································································································13 3、单箱双室连续弯桥 ······················································································································· 13 一、纵梁截面 ··················································································································································13 二、横梁截面 ··················································································································································16 三、移动荷载及自重处理 ·······························································································································17 四、边界条件 ··················································································································································17 五、结果处理 ··················································································································································18 结语 ···················································································································································· 19 1梁格分析梁格分析概述在设计当中，我们一般都用单梁模型来进行分析，但是对于一些弯桥、斜桥、变 宽桥梁、宽箱梁结构等，其受力情况比较复杂，用单梁模型并不能很好地反映出真实 的受力情况和在使用阶段中最不利的位置，所以如果条件允许，使用实体模型是最好 的解决办法。
横梁建模分析方法包括两种：单梁法和梁格法。
工程中应用较多的是单梁法，下面分别就桥梁博士和midas/civil建模方法进行简介，并进行对比分析，以及应该注意的事项。
1、汽车荷载施加：桥博：进入活荷载描述，输入车道荷载和人群荷载信息，在横向分布系数中分别输入单车道荷载和人群荷载在横梁处引起的支座总反力，选择横向加载，并修改横向加载有效分布区域，选择自动计入汽车车列折减系数，选择自设定冲击系数并填写冲击系数值（负弯矩冲击系数为0时，按照正弯矩冲击系数计算）。
Midas/civil:1移动荷载规范-横向移动荷载；2车辆-车轮荷载选择单车道荷载引起的横梁处支座反力值和的一半，分布宽度和纵向宽度选1m，剩下的参数按照实际情况填写；3移动荷载工况-考虑冲击系数。
2、恒载施加恒载取纵向计算模型最后一个施工阶段提取的横梁处支座反力，将反力按照一定比例分配给各腹板（通常会乘以一个增大系数）进行施加。
3、注意事项施加恒载时，需要减去横梁荷载，或者横梁模型中不计入横梁自重，以免横梁荷载重复计入。
桥博计算时，一次只能计算一种车道数的情况，为了得到最不利的结果，需要将车道数从2车道依次增加至最大车道数进行计算，取最不利的车道数。
Midas/civil能够自动考虑车道数的变化，不需要修改车道数。
Midas/civil中计算横梁时活载没有考虑冲击系数，需要在移动荷载工况-比例系数-中考虑；按照《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》P66，汽车荷载在基本组合和标准组合中考虑冲击系数，在短期组合和长期组合不考虑冲击系数。
因此利用midas/civil验算时，需要在荷载组合中修改移动荷载的分项系数。
如果移动荷载工况中考虑了冲击系数，则应修改短期和长期的移动荷载分项系数。
移动荷载工况-横向折减系数，需要按照规范进行填写。
Midas/civil中没有办法考虑人群荷载的分布，只能以恒载的方式施加。
横梁计算一般不考温度、支座沉降的作用。
框架匹配和实体对齐的联系和区别知识表示与推理
框架匹配和实体对齐是知识表示与推理领域中两个重要的技术。
框架匹配是指通过比较不同知识库中的框架（或本体）之间的相似性来判断它们是否表示同一实体或概念。
实体对齐则是指将不同知识库中的实体或概念进行对应，以便进行跨知识库的查询和推理。
虽然这两种技术都涉及到知识表示和推理，但它们之间的联系和区别是显然的。
框架匹配主要关注框架之间的相似性，即它们之间的结构、属性和关系是否相似，从而判断它们是否表示同一实体或概念。
而实体对齐则更加注重实体之间的语义相似性，即它们之间的意义是否相似，从而将它们进行对应。
此外，框架匹配通常是基于本体或知识图谱之间的相似性进行计算，而实体对齐则更多地依赖于文本语义和上下文信息。
因此，相比于框架匹配，实体对齐更具挑战性，需要更多的自然语言处理和语义理解技术的支持。
总之，框架匹配和实体对齐是知识表示与推理领域中两个重要的技术。
它们之间有联系，但也有区别，需要结合具体应用场景进行选择和使用。
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