ANSYS桥梁建模与恒载内力计算说明书

一　设计资料

1.设计荷载：汽车荷载 公路I级；人群荷载3.5KN/m2。

2.主桥上部结构采用下承式栓焊钢桁架，平行弦三角形体系。

3.主桁横向中心距9（10）米，车行道净宽8（9）米。

4.钢材为16MnQ345。

5.杆件截面为板件焊成的H形，杆件间通过节点板用高强螺栓连接。

6.桥面板厚12cm，桥面铺装层厚8cm。

二  设计步骤

2.1上部构造布置及尺寸初步拟定

杆件断面尺寸与几何特性

将桥梁结构划分成若干个单元组成的离散结构体系；各桁架杆件采用beam4刚结梁单元建模。具体步骤如下：

1、根据所拟定的尺寸建立桥梁结构模型；

2、确定作用在结构单元节点上的荷载；

3、确定结构边界上的约束，包括力边界条件和位移边界条件；

4、求解。

其中模型建立的主要命令如下：

2.2.1分析杆件截面特性

对各个桁架杆件的截面特性进行分析并输入数据。参考资料定出桥梁各杆件的截面几何尺寸，在ANSYS中使用命令路径：

Preprocessor/sections/Beam/Common Sections

并输入几何数值，可得出各个不同截面的截面特性。

本训练可以简化每种类型杆件统一用一种截面尺寸也可。

2.2.2定义截面类型

在ANSYS中，是使用r命令来对截面类型进行定义的，其命令格式为：

　　　　　r,1,a,izz,iyy,z,y,theta,istrn,ixx,shearz,sheary,spin,addmas

其中：　　　l　－截面类型编号，从1，2，直至n个不同截面；

　　　　　　a －截面面积；

　　　　　　izz,iyy　－截面惯性矩；

　　　　　　z,y　－z、y方向上的厚度。

对于设计中的桥梁，以第一种截面类型举例：

r,1,30592,500000000,1230000000,460,500,,,,0.531e7,,,,    

不需要使用的格式可以缺省，但是要以逗号隔开。

命令流编辑如下：

/units,si

/title,biyesheji

/prep7

!*定义元素类型及材料特性

et,1,beam4        !定义元素类型

et,2,mass21,,,2         !定义集中质量矩阵 

mp,ex,1,2.1e5        !弹性模量

mp,dens,1,7.85e-6    !密度

mp,nuxy,1,0.3        !泊松比

!*

!*

type,1

!* r,1,面积,izz,iyy,z轴方向厚度,y轴方向厚度,theta

!* rmore,istrn,ixx,shearz,sheary,spin,addmas

r,1,25120,0.32460e9,0.996e9,460,460,,

rmore,,0.31314e7,,,,

r,2,28672,0.348e9,0.11436e10,460,460,,

rmore,,0.49367e7,,,,

r,3,23440,0.32451e9,0.96526e9,460.460,,

rmore,,0.27578e7,,,,

r,4,19856,0.25962e9,0.80418e9,460,460,,

rmore,,0.15469e7,,,,

r,5,17936,0.17073e9,0.70951e9,400,460,,

rmore,,0.13806e7,,,,

r,6,11776,0.21398e8,0.43453e9,200,480,,

rmore,,0.83288e6,,,,

r,7,23840,0.10936e9,0.36066e10,320,960,,

rmore,,0.22939e7,,,,

2.2.3定义节点

ANSYS对节点定义的命令格式为：

N，NODE，X，Y，X，THXY，THYZ，THZX

其中：

NODE：节点编号。当指定的节点编号与图形中已有的编号相同时，该命令将更新该节点编号的位置，默认节点号为当前最大节点编号加1；

X，Y，Z：节点在激活坐标系中的坐标值；

THXY，THYZ，THZX：分别绕Z轴，X轴和Y轴的旋转角度，其正向由右手法则确定。

在激活坐标系中生成一个节点、节点坐标系与直角坐标系平行。在此值得一提的是在定义节点的时候，可以根据节点在X、Y、Z方向上的增量的规律，使用节点的复制命令NGEN。其命令格式为：

NGEN，ITIME，ING，NODE1，NODE2，NINC，DX，DY，DZ，SPACE

其中：

ITIME、INC　－分别为节点复制的总次数，节点编号的增量，ITIME≥2；

NODE1、NODE2、NINC　－指定将要复制节点的范围，按增量NINC从NODE1到NODE2；

DX、DY、DZ　－节点坐标值的偏移量，位于激活坐标系下；

SPACE　－间隔比率，为最后一个间距大小与第一个间距大小之比。

命令流编辑如下：

!*开始输入节点

n,1,0,0,0

n,17,128000,0,0

fill,1,17

ngen,2,17,1,17,1,0,0,10000

n,35,8000,11000,0

n,49,120000,11000,0

fill,35,49

ngen,2,15,35,49,1,0,0,10000

n,65,0,0,2000

n,81,128000,0,2000

fill,65,81

ngen,4,17,65,81,1,0,0,2000

n,133,1600,0,2000

n,148,121600,0,2000

fill,133,148

ngen,4,16,133,148,1,1600,0,2000

n,197,00,0,2000

n,212,1200,0,2000

fill,197,212

ngen,4,16,197,212,1,-1600,0,2000

n,261,4000,0,5000

n,276,124000,0,5000

fill,261,276

n,277,12000,11000,5000

n,290,116000,11000,5000

fill,277,290

2.2.4 定义单元

ANSYS电算的分析是以单元为基础的，两个节点的连接组成单元。在ANSYS中，是使用E命令来对单元进行定义的，E 命令主要是通过节点相连生成一个单元。其命令格式为：

E，I，J，K，L，M，N，O，P

其中：

I：指向第一个节点的编号；

J、K、L、M、N、O、P：指向第二到八个节点编号。

由于单元的建立是为了进行对结构的受力分析，因此在对单元定义这前先要对该单元的截面类型进行说明。在本次设计中，以1号单元的定义为例，其命令为：

E，1，2

即以1、2两个编号的节点为单元的两端，一次建立一个单元。

当组成单元的两端的节点的X、Y、Z方向上的坐标增量是有规律可循的，并且这些单元的实型是相一致的，那么就可以使用单元的复制命令ENEG。

当单元建立完成后，使用ANSYS命令路径：

Plot/Elements

可以在ANSYS是图形框中看到整座桥的立体模型，这时，可以点击ANSYS界面上右上角的三向旋转图标，从各个方向来观察模型，同时也可以检查在单元的建立中是否出错。建模完成，共有节点1557个，单元3486个。

命令流编辑如下：

!*开始连接节点建立元素

real,1                        !下弦

e,1,2

egen,16,1,-1

e,18,19

egen,16,1,-1

real,2                        !上弦

e,35,36

egen,14,1,-1

e,50,51

egen,14,1,-1

real,3                        !斜杆

e,1,35

egen,8,2,-1

e,3,35

egen,8,2,-1

e,18,50

egen,8,2,-1

e,20,50

egen,8,2,-1

real,4                           !上、下平纵梁

e,35,277

egen,14,1,-1

e,36,277

egen,14,1,-1

e,50,277

egen,14,1,-1

e,51,277

egen,14,1,-1

e,1,133

egen,16,1,-1

e,133,149

egen,16,1,-1

e,149,261

egen,16,1,-1

e,261,165

egen,16,1,-1

e,165,181

egen,16,1,-1

e,181,19

egen,16,1,-1

e,2,197

egen,16,1,-1

e,197,213

egen,16,1,-1

e,213,261

egen,16,1,-1

e,261,165

egen,16,1,-1

e,165,245

egen,16,1,-1

e,245,18

egen,16,1,-1

real,5                          !竖杆

e,2,35

egen,15,1,-1

e,19,50

egen,15,1,-1

real,6                           !纵梁

e,65,133

egen,16,1,-1

e,133,197

egen,16,1,-1

e,197,66

egen,16,1,-1

e,82,149

egen,16,1,-1

e,149,213

egen,16,1,-1

e,213,83

egen,16,1,-1

e,99,229

egen,16,1,-1

e,229,165

egen,16,1,-1

e,165,100

egen,16,1,-1

e,116,245

egen,16,1,-1

e,245,181

egen,16,1,-1

e,181,117

egen,16,1,-1

real,7                           !横梁

e,35,50

egen,15,1,-1

e,1,65

egen,17,1,-1

e,65,82

egen,17,1,-1

e,82,99

egen,17,1,-1

e,99,116

egen,17,1,-1

e,116,18

egen,17,1,-1

三 ANSYS计算恒载内力

3.1加约束

使用ANSYS命令中的D 命令可以实现在节点上施加DOF约束。D命令的命令格式为：

D，NODE，LAB，VALUE，VALUE2，NEND，NINC，LAB2，LAB3，LAB4，LAB5，LAB6

其中：

LAB：有效的DOF标签，如果为ALL，则为所有适宜的标签名，在本次设计中使用到的主要为位移结构标签UX，UY，UZ；

VALUE：定义DOF的值；

VALUE2：第二个自由度值；

NEND，NINC：对按增量NINC(默认值为1)从NODE到NEND(默认值为NODE)的节点指定同样的约束值；

LAB2，LAB3，LAB4，LAB5，LAB6：附制的DOF标签，对这些标签，同样的值施加到关键点上。

命令使用时须注意自由试用 节点坐标系定义，结构转角和平移的的正方向与节点坐标轴的正向相同。

按照桥梁的约束要求支座处的横载面按简支梁的约束情况来加。如在节点编号为29的节点上施加三向约束，节点编号为1、15、43、57节点上加Y及Z方向上的约束，而在节点编号为58、72、86、100、114的节点上仅施加Y方向上的约束。其命令为：

d,1,uy,0

d,1,uz,0

d,15,uy,0

d,15,uz,0

d,29,ux,0

d,29,uy,0

d,29,uz,0

d,43,uy,0

d,43,uz,0

d,57,uy,0

d,57,uz,0

d,58,uy,0

d,72,uy,0

d,86,ux,0

d,86,uy,0

d,100,uy,0

d,114,uy,0

然后进行加速度的定义，其命令为：acel,0,9.8,0    命令含义为在竖直方向，即Y方向上的加速度为9.8，定义了加速度后，杆件自重ANSYS就自动计算在内了。

命令流编辑如下：

!加约束

d,1,ux,0

d,1,uy,0

d,1,uz,0

d,17,ux,0

d,17,uy,0

d,17,uz,0

d,18,uy,0

d,18,uz,0

d,34,uy,0

d,34,uz,0

acel,0,9.8,0

3.2计算桥面板桥面铺装的重量

在分析桁架受力时，将所有的荷载都施加在节点上。行车道板及桥面系铺装把面力转化为集中力转化为集中力作用在桥面系的节点上即可得到。

使用ANSYS命令中的D 命令可以实现在节点上施加DOF约束。D命令的命令格式为：

ANSYS中有不同的方法施加负载以达到分析的需要。负载可分为边界条件（boundary condition）和实际外力(external force)两大类，以特性而言，负载可分为六大类：DOF约束、力（集中载荷）、表面载荷、体积载荷、惯性力有耦合场载荷。

使用ANSYS命令中的F 命令可以实现在节点上施加节点力。F命令的命令格式为：

F, NODE, Lab, VALUE, VALUE2, NEND, NINC

即：F, NODE(节点起点）, Lab（约束方向）, VALUE（力的大小）, VALUE2（力的补充大小）, NEND（节点终点标号）, NINC（标号步距）。

加载节点力，如下：

f,10000,fy,-5527.2,,,         

f,10038,fy,-5527.2,,,         

f,20000,fy,-5527.2,,,  

f,20038,fy,-5527.2,,,  

f,10001,fy,-11054.4,,10037,1

命令流编辑如下：

!加荷载

f,1,fy,-25480,,18,17

f,17,fy,-25480,,34,17

f,65,fy,-65840,,116,51

f,81,fy,-65840,,132,51

f,82,fy,-80720,,99,17

f,98,fy,-80720,,115,1

f,2,fy,-50960,,16,1

f,19,fy,-50960,,16,1

f,66,fy,-131680,,80,1

f,117,fy,-131680,,131,1

f,83,fy,-161440,,,1

f,100,fy,-161440,,106,1

f,91,fy,-161440,,97,1

f,108,fy,-161440,,114,1

f,90,fy,-341440,,107,17

3.3 求解

添加支座约束和加载节点力后，进入求解过程。求解命令为：

/solu

Solve

命令流编辑如下：

!求解

/solu

Solve

3.4成果提取和整理

3.4.1显示结构变形

命令流编辑如下：

/post1

pldisp,0

plnsol,u,y

plnsol,u,x

plnsol,u,z

prnsol,u,y

prnsol,u,x

prnsol,u,z

3.4.2单元分组

命令流编辑如下：

!单元分组

*dim,group_NM,char,8

group_NM(1)='xxg'   

group_NM(2)='sxg'

group_NM(3)='xg'

group_NM(4)='sg'

group_NM(5)='hl'

group_NM(6)='zl'

group_NM(7)='spzl'

group_NM(8)='xpzl'

!

esel,s,elem,,1,16,1

esel,a,elem,,17,32,1

cm,group_NM(1),elem

esel,s,elem,,33,46,1

esel,a,elem,,47,60,1

cm,group_NM(2),elem

esel,s,elem,,61,68,1

esel,a,elem,,69,76,1

esel,a,elem,,77,84,1

esel,a,elem,,85,92,1

cm,group_NM(3),elem

esel,s,elem,,341,355,1

esel,a,elem,,356,370,1

cm,group_NM(4),elem

esel,s,elem,,563,577,1

esel,a,elem,,578,662,1

cm,group_NM(5),elem

esel,s,elem,,371,562,1

cm,group_NM(6),elem

esel,s,elem,,93,148,1

cm,group_NM(7),elem

esel,s,elem,,149,340,1

cm,group_NM(8),elem

3.4.3数据提取

(1) 求解完成后，我们要把全桥各杆件的内力数据提取出来，先将全桥分为7个组群，分别是下弦杆、上弦杆、竖杆、斜杆、主横梁、纵梁、人行道。

(2) 数据的提取：在分组完成后，可按组将各组数据分别将各组数据显示出来，生成文本文档。

命令流编辑如下：

!数据提取

/post1

cmsel,s,sxg

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

/post1

cmsel,s,xxg

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

/post1

cmsel,s,xg

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

/post1

cmsel,s,sg

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

/post1

cmsel,s,hl

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

/post1

cmsel,s,zl

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

/post1

cmsel,s,spzl

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

/post1

cmsel,s,xpzl

ETABLE,uy ,U,Y

        ETABLE,YL,LS,1        !SDIR　轴向应力

        ETABLE,YYL,LS,2       !SBYT梁内单元+Y面上的弯曲应力

        ETABLE,ZZL,LS,4       !SBZT梁内单元+Z面上的弯曲应力

        ETABLE,XL,SMISC,1     !MFORX单元坐标系中X方向的力

        ETABLE,MYL,SMISC,5    !MMOMY单元坐标系中Y方向的弯矩

        ETABLE,MZL,SMISC,6    !MMOMZ单元坐标系中Z方向的弯矩

        ETABLE,XMAX,NMISC,1   !SMAX　最大应力(正应力+弯曲应力)  

PRETAB,UY,yl,yyl,zzl,xl,myl,mzl,xmax

！finish

表格：

表1.下弦杆数据提取（部分）