ANSYS 在桥梁结构空间分析中的应用
- 格式：pdf
- 大小：184.77 KB
- 文档页数：7
ANSYS在桥梁结构空间分析中的应用
陈 可 吴 炜
（交通部公路科学研究所 桥梁CAD开发组）
1 绪论
过去由于计算方法受到计算机发展的限制，桥梁结构分析时多考虑梁横截面尺寸较纵向长度小的
多，引入一些假定，用杆系结构简化桥梁实际结构进行分析。此方法具有单元划分简单，节点、自由度
少，计算量小等优点。但随着社会进步和技术的发展，同时为适应现代交通的多种需求，现代桥梁的结
构形式复杂多变，载重、跨径和桥宽不断增长。当桥梁宽跨比较大、截面异形、简化为杆单元的假定的
适用条件不再满足时，或横截面变形不可忽略时，杆单元就显得无能为力了，必需求助于三维实体单元。
三维实体单元能够详尽的描述桥梁结构，适用范围广，更符合实际结构，可以避免结构力学引入的简化，
计算结果更真实地反映实际受力情况，横截面的变形情况。尤其在现代计算机技术飞速发展的今天，高
速的数据处理使得结点自由度多、单元数量多、计算量较大的三维实体单元法表现出了更多的优势和更
宽广的应用前景。
2 ANSYS在桥梁中的应用
ANSYS大型通用有限元分析软件具有丰富的单元库及材料库，可以对任何结构形式的桥梁进行全
桥仿真分析。全桥仿真可以通过对各种载荷工况的组合，较为精确地反映出桥梁在各种因素作用下的综
合特征，如桥梁的应力分布、变形情况、自振频率、振形、地震响应特征、失稳特征等等。ANSYS 可
以模拟桥梁预应力钢筋的松弛、混凝土的徐变、开裂、压溃以及结构温度应力（年温差、日照温差、混
凝土水化热）等因素对桥梁的影响，同时也可以方便地计算出箱梁的畸变应力、剪力滞效应以及桥梁构
件与支撑部位的接触状态；用ANSYS 还可以很好地模拟风力对桥梁的影响，可提供适合桥梁地震响应
分析的多点激励谱分析，为桥梁结构设计、分析提供数据信息。ANSYS 单元库中的SOLID45非常适用
于桥梁三维实体单元模型结构分析。该单元具有8个节点，每节点3个自由度即X、Y、Z三个方向的
位移自由度。单元具有塑性、徐变、膨胀, 大挠度, 大应变等性能，可用来模拟分析三维桥梁实体结构。
该单元的使用克服了杆系结构有限元分析中由于各种假设条件所带来的不足，建立了完整的结构分析体
系，可以得到详尽、准确、可靠的分析结果。
ANSYS在汽车、电子、航空航天、石油化工、生物医学、土木工程等各个领域广泛应用。以往在
桥梁抗风、抗振、非线性分析方面也得到过应用。但用它分析桥梁结构时，由于没有桥梁结构的专用建
模工具，要用三维实体单元建立变截面弯箱梁桥结构分析模型还是比较难的。为此我们开发了简单、快
速、实用的桥梁专用三维实体单元建模工具，它与ANSYS结合使用，可大大提高用户工作效率。为用
户进行深层次的桥梁结构分析提供有力工具。
3 Bridge3D桥梁专用三维建模软件
Bridge3D是交通部公路科研所开发的桥梁专用三维建模软件，主要用于建立各种桥梁结构的三维模
型。其桥型包括梁桥、拱桥、斜拉桥、悬索桥。上部结构主梁可以是空心板，T梁或I梁，箱梁，圆孔
1
扁箱梁，钢板箱，桁架体系组合梁，下部结构可以是U型台、轻型台、实体墩、薄壁墩、柱式墩、塔墩
和锚锭。基础可以是扩大基础和桩基础等。所绘桥梁既可有竖弯也可有平弯，还可绘制桥台锥坡、桥面
铺装、行车道线、伸缩缝、泄水管、防撞护栏、人行道扶手栏杆等。软件可根据地面数模信息绘制三维
地形透视图。此系统特点是界面友好、使用方便、技术先进、实用性强。它在AutoCAD R14图形环境
下建模、可直接预览或浏览桥梁各构件或桥梁总体三维形状，并可由用户自行扩展构件参数库。Bridge3D
是桥梁设计方案立体效果、桥梁三维动画制作的绘图工具，同时也可作为有限元分析前处理的建模工具。
4 Bridge3D与ANSYS的接口
为了结合Bridge3D与ANSYS两个软件各自的优势，我们开发了他们的接口模块B3DA。用B3DA
提取Bridge3D已建成的桥梁模型几何参数，适当补充荷载、约束和材料信息，即可用ANSYS 单元库
中的SOLID45三维实体单元对该桥梁结构模型进行离散化，形成合理的有限元模型。B3DA是通过
ANSYS命令流与ANSYS衔接的。在ANSYS中读取由B3DA形成的命令流文件即可将桥梁三维分析数
据导入，并在图形界面中生成桥梁三维实体单元离散模型，进行进一步的静、动态分析。下面我们以算
例的性是说明这一过程。
5 算例分析
5.1 算例1
计算跨径L=20m的简支T梁桥，其横截面如图所示，求在跨中施加300KN集中力荷载时跨中截面
的弯矩。根据《桥梁工程》的计算方法，跨中截面的弯矩M=P*L/4=300*20/4=1500（KN/m），其中P为
集中力荷载值，L为计算跨径。现用Bidge3D结合ANSYS来分析该算例。首先根据简支梁桥的截面尺
寸及跨径可方便地在Bridge3D中进行三维建模，建成后的桥梁三维模型如图1所示。
图1 简支T梁桥三维模型
用Bridge3D与ANSYS的接口B3DA对已建成的桥梁三维数据模型进行转化，即先对桥梁三维模
型进行离散化，形成有限元网格，同时为该有限元网格施加约束与荷载，最终统一转化成ANSYS的输
入文件T梁ansys.mac。B3DA建模过程如图2～4所示。将转化后的有限元数据文件T-beam.mac，导入
ANSYS进行求解。计算结果得到跨中截面的弯矩M=1336.875（KN/m），该值与理论计算值M=1500
（KN/m）基本吻合。说明用Bidge3D结合ANSYS的分析效果良好。ANSYS提供了强大的后处理功能，
用户能够方便的查看结构受力后的位移云图。用ANSYS分析情况如图2～4所示。
2
图2 B3DA离散界面 图3 B3DA离散结果
图4 B3DA模型转化成ANSYS数据文件 图5 ANSYS导入B3DA离散模型
图6 ANSYS计算结果 图7 ANSYS位移云图
5.2 算例2
计算跨径L=39.6m的简支空心板桥，其横截面如图所示，求在跨中施加300KN集中力荷载值时跨
中截面的弯矩M=P*L/4=300*39.6/4=2970（KN/m）。用Bridge3D中进行三维建模见图8。用Bridge3D
与ANSYS的接口B3DA将梁桥三维模型离散成有限元计算模型，并转化为ANSYS的输入文
件:HollowSlab.mac，见图9。ANSYS的计算结果M=2910.303（KN/m）与理论计算值M=2970（KN/m）
基本吻合，说明计算效果良好。在ANSYS中导入该模型进行计算，并列出计算结果和位移云图。用
ANSYS分析情况如图10～12所示。
3
图8 简支空心板桥三维模型
图9 B3DA离散模型并转化成ANSYS数据文件
图10 ANSYS导入B3DA离散模型 图11 ANSYS计算结果
图12 ANSYS位移云图
4
5.3 算例3
某三跨20m钢筋混凝土等截面连续箱梁桥，箱梁顶宽10m，梁高1.8m，位于半径80m的弯道上。
分析该桥在自重荷载作用下的受力、变形情况。在Bridge3D界面建立桥梁三维模型，可直接在Bridge3D
界面预览上部、下部结构图，并可在Autocad界面浏览上、下部结构及全桥结构图。
图13 Bridge3D箱梁结构预览 图14 Autocad全桥结构图
该桥梁三维数据模型文件用Bridge3D与ANSYS的接口B3DA打开，进行离散化。形成有限元网
格后，施加约束与荷载。
图15 B3DA离散结果 图16 设置载荷、约束、材料信息
转化生成curve.mac文件导入ANSYS进行分析计算。
图17 ANSYS导入B3DA离散模型
计算结果：
5
图18 ANSYS正应力云图 图19 ANSYSY位移云图
应力云图、位移云图清楚地显示了箱梁各部位的受力及变形。由图可知最大位移发生在边跨跨中箱
梁外侧翼缘处，位移值为3.4cm。计算结果精确地反映了弯箱梁受力特性，尤其是横断面上各位置的应
力与变形的差异，这是传统平面杆系程序无法完成的计算。
5.4 算例4
某变截面连续箱梁桥，跨径布置：40+60+40米，箱梁顶宽19.75m，支点处梁高4.1m，跨中梁高2m。
分析该桥在自重荷载作用下的受力、变形情况。
图20 Bridge3D箱梁结构预览 图21 全桥结构图
图22 B3DA离散结果 图23 ANSYS导入B3DA离散模型
6
图24 ANSYS正应力云图 图25 ANSYSY位移云图
6 结论
以上四个算例分别以简支T梁、空心板、连续弯箱梁、变截面箱梁为例，介绍了通过B3DA建立
ANSYS与Bridge3D的接口，从而搭设了大型通用软件ANSYS与专用桥梁建模工具的桥梁，实现了复
杂桥梁结构的建模，进而利用ANSYS的强大功能进行有限元分析及后处理。ANSYS在桥梁结构分析中
的应用将更为方便和广泛。
7
