基于ANSYS的桥梁分析报告

钢桁架桥静力受力分析

对一架钢桁架桥进行具体静力受力分析，分别采用GUI方式和命令流方式。

A 问题描述

图6-15 钢桁架桥简图

已知下承式简支钢桁架桥桥长72米，每个节段12米，桥宽10米，高16米。设桥面板为0.3米厚的混凝土板，当车辆行驶于桥梁上面时，轴重简化为一组集中力作用于梁上，来计算梁的受力情况。。桁架杆件规格有三种，见下表：

表6-2 钢桁架桥杆件规格 杆件 端斜杆 上下弦 横向连接梁 其他腹杆

所用材料属性如下表：

参数 弹性模量EX 泊松比PRXY 密度DENS

表6-3 材料属性

钢材

11

2.1×10 0.3 7850

混凝土

10

3.5×10 0.1667 2500

截面号 1 2 2 3 形状 工字形 工字形 工字形 工字形 规格 400×400×16×16 400×400×12×12 400×400×12×12 400×300×12×12 B GUI操作方法

1.创建物理环境

1）过滤图形界面：

GUI：Main Menu> Preferences，弹出“Preferences for GUI Filtering”对话框，选中“Structural”来对后面的分析进行菜单及相应的图形界面过滤。

2）定义工作标题： GUI：Utility Menu> File> Change Title，在弹出的对话框中输入“Truss Bridge Static

专业整理

word格式文档

Analysis”，单击“OK”。如图6-16（a）。

指定工作名：

GUI：Utility Menu> File> Change Jobname，弹出一个对话框，在“Enter new Name”后面输入“Structural”，“New log and error files”选择yes，单击“OK”。如图6-16（b）。

图6-16（a） 定义工作标题

图6-16（b） 指定工作名

3）定义单元类型和选项：

GUI：Main Menu> Preprocessor> Element Type> Add/Edit/Delete，弹出“Element Types”单元类型对话框，单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框。在该对话框左面滚动栏中选择“Structural Beam”，在右边的滚动栏中选择“3D 188”，单击“Ok”，定义了“BEAM188”单元，如图6-17。继续单击“Add”按钮，弹出“Library of Element Types”单元类型库对话框。在该对话框左面滚动栏中选择“Structural Shell”，在右边的滚动栏中选择“Elastic 4node 181”，单击“OK”，定义了“SHELL181”单元。得到如图6-18所示的结果。最后单击“Close”，关闭单元类型对话框。

图6-17 单元类型库对话框

专业整理

word格式文档

图6-18 单元类型对话框

4）定义梁单元截面： GUI：Main Menu> Preprocessor> Sections>Beam> Common Sections，弹出“Beam Tool”工具条，如图6-19填写。然后单击“Apply”，如图6-19填写；然后单击“Apply”，如图6-19填写，最后单击“OK”。

图6-19 定义三种截面

每次定义好截面之后，点击“Preview”可以观察截面特性。在本模型中三种工字钢截面特性如下图6-20：

专业整理

word格式文档

图6-20 三种截面图及截面特性

5）定义材料属性：

GUI：Main Menu> Preprocessor> Material Props> Material Models，弹出“Define Material Model Behavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural> Linear> Elastic> Isotropic”后，弹出“Linear Isotropic Properties for Material Number 1”对话框，如图6-23所示，在该对话框中“EX”后面的输入栏输入“2.1e11”，“PRXY”后面的输入栏输入“0.3”，单击“OK”。

图6-23 设置弹性模量和泊松比 图6-24 设置密度

继续在“Define Material Model Behavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural> Density”，弹出“Density for Material Number 1”对话框，如图6-24所示，在该对话框中“DENS”后面的输入栏输入“7850”，单击“OK”。

设置好第一种钢材材料之后，还要设置第二种混凝土桥面板材料。“Define Material Model Behavior”对话框的Material菜单中选择“New model”，按照默认的材料编号，点击“OK”。这时“Define Material Model Behavior”对话框左边出现“Material Model Number

专业整理

word格式文档

2”，同第一种材料的设置方法一样，“Linear Isotropic”中“EX”输入“3.5e10”，“PRXY”输入 “0.1667”，“DENS”输入“2500”，单击“OK”结束。如图6-25。最后关闭“Define Material Model Behavior”对话框。

图6-25 定义材料属性

2.建立有限元模型

1）生成半跨桥的节点：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Nodes> In Active CS，弹出“Create Nodes in Active CS”对话框，在“X，Y，Z”输入行输入：“0，0，-5”，单击“OK”。如图6-26（a）

然后GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，在“Copy nodes”对话框中单击“Pick All”，在弹出的对话框中，如图6-26（b）填写。

继续执行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，在“Copy nodes”对话框中单击“Pick All”，在弹出的对话框中，如图6-26（c）填写。

图6-26（a） 建立节点 图6-26（b） 复制节点

专业整理

word格式文档

图6-26（c） 复制节点 图6-27 半桥模型的节点

继续执行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，弹出“Copy nodes”对话框，在ANSYS主窗口中用箭头选择2、6、10号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，“ITIME”输入“2”，“DY”输入“16”，“INC”输入“1”， “RATIO”输入“1”，其他项不填写。单击“OK”。

继续执行GUI：Utility Menu> Modeling> Copy> Nodes> Cop，弹出“Copy nodes”对话框，在ANSYS主窗口拾取3、7、11号节点，单击“OK”，在弹出的对话框中，“ITIME”输入“2”，“DZ”输入“-10”，“INC”输入“1”， “RATIO”输入“1”，其他项不填写。单击“OK”。最终ANSYS主窗口中出现画面如图6-27。

2）生成半桥跨单元： 选择第一种单元属性：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，如图6-28所示。单击“OK”关闭窗口。

图6-28 选择单元属性 图6-29建立端斜杆梁单元 建立端斜杆梁单元：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”拾取节点对话框，分别拾取11和14号节点，单击“apply”。再选择12和13号节点。单击“OK”。如图6-29。

选择第二种单元属性：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“SECNUM”项中选择“2 XIANHENG”，其他选项不变。单击“OK”关闭

专业整理

word格式文档

窗口。

建立上下弦杆和横梁杆梁单元：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，分别在2和6号节点、6和10号节点、10和14号节点、1和5号节点、5和9号节点、9和13号节点、3和7号节点、7和11号节点、4和8号节点、8和12号节点、1和2号节点、3和4号节点、5和6号节点、7和8号节点、9和10号节点、11和12号节点、13和14号节点建立单元。单击“OK”关闭窗口。

选择第三种单元属性：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“SECNUM”项中选择“3 FU”，其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。

建立上下弦杆和横梁杆梁单元：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，分别在3和6号节点、6和11号节点、4和5号节点、5和12号节点、2和3号节点、1和4号节点、6和7号节点、5和8号节点、10和11号节点、9和12号节点建立单元。单击“OK”关闭窗口。

3）定义梁单元截面： GUI：Main Menu> Preprocessor> Sections>Shell> Lay-up>Add/Edit，弹出Create and Modify Shell Sections”工具条,在“name”后输入“ban”，“ID”后输入“4”，“Thickness”后输入“0.3”，单击“OK”。

4）选择第四种单元属性：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Elem Attributes，弹出“Element Attributes”对话框，“TYPE”项选择“2 SHELL181”，“MAT”项选择“2”，“SECNUM”项中选择“No Section”，“TSHAP”项选择“4 node quad”，其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。

建立桥面板单元：

GUI：Utility Menu> Modeling> Create> Elements> Auto Numbered> Thru Nodes，弹出“Elem from Nodes”选择对话框，依次选择1、2、6、5号节点、5、6、10、9号节点、9、10、14、13号节点建立三个壳单元。单击“OK”关闭窗口。如图6-30。

图6-30 半桥单元

5）生成全桥有限元模型： 生成对称节点：

GUI：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Reflect> Nodes，弹出“Reflect Nodes”选择对话框，单击“Pick All”。在第二个对话框中，选择“Y-Z plane”，“INC”项填写“14”。单击“OK”关闭对话框。

专业整理

word格式文档

图6-31桥单元

生成对称单元：

GUI：Main Menu> Preprocessor> Modeling> Reflect> Elements> Auto Numbered，弹出“Reflect Elems”选择对话框，单击“Pick All”。在第二个对话框中， “NINC”项填写“14”。单击“OK”。如图6-31。

6）合并重合节点、单元：

GUI：Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Merge Items，弹出“Merge Coincident or Equivalently Defined Items”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。如图6-32。

图6-32 合并重合节点和单元 图6-33 压缩编号

压缩编号： GUI：Main Menu> Preprocessor> Numbering Ctrls> Compress Number，弹出“Compress Numbers”对话框，“Label”项选择“All”，单击“OK”关闭窗口。如图6-33。

7）保存模型文件；Utility Menu> File> Save as，弹出一个“Save Database”对话框，在“Save Database to”下面输入栏中输入文件名“Structural_model.db”，单击“OK”。 3. 加边界条件和载荷

1）施加位移约束：

在简支梁的支座处要约束节点的自由度，以达到模拟铰支座的目的。假定梁左端为固定支座，右边为滑动支座。

GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Displacement> On Nodes，弹出节点选取对话框，用箭头选择23和24号节点，单击“OK”弹出“Apply U，ROT Nodes”对话框，“DOFs to be constrained”项中，选择“UX，UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。如图6-34。以同样的方法，在13和14号节点施加位移约束，选择13、14号节点之

专业整理

word格式文档

后，在“DOFs to be constrained”项中选择“UY，UZ”，单击“OK”关闭窗口。结果如图6-35。

图6-34 设置节点位移约束 图6-35 施加位移约束后的模型

图6-36 设置集中力荷载 图6-37 施加所有荷载后的模型

2）施加集中力：

在跨中两节点处施加集中力荷载。

GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Force/Moment> On Nodes，弹出节点选取对话框，用箭头选择1和2号节点，单击“OK”弹出“Apply F/MNodes”对话框，“Lab”项选择“FY”，“VALUE”项填写“-100000”。如图6-36。单击“OK”关闭窗口。

3）施加重力：

GUI：Main Menu> Solution> Define Losads> Apply> Structural> Inertia> Gravity> Global，弹出“Apply Acceleration”对话框，在“ACELY”项填写“10”，单击“OK”。

施加所有荷载之后的模型如图6-37。 4. 求解

1）选择分析类型：

GUI：GUI：Main Menu> Solution> Analysis Type> New Analysis，在弹出的“New Analysis”对话框中选择static选项，点击“OK”关闭对话框。

2）开始求解：

GUI：Main Menu> Solution> Solve> Current LS，弹出一个名为“/STATUS Command”的文本框，如图6-38，检查无误后，单击“Close”。在弹出的另一个“Solve Current Load Step”对话框中单击“OK”。求解结束后，关闭“Solution is done”对话框。

专业整理

word格式文档

图6-38 求解信息

5. 查看计算结果

1）查看结构变形图：

GUI：Main Menu>General Postproc>Plot Results> Deformed Shape，弹出一个如图6-39(a)所示的对话框，单击“OK”，结果显示如图6-39(b)

图6-39(a) 设置变形显示 图6-39(b) 结构变形结果

2）云图显示位移：

GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Nodal Solu，弹出如图6-40的对话框，选择“Nodal Solution-DOF Solution-”后面的选项，其中包括X、Y、Z各个方向的位移及总体位移，和X、Y、Z各个方向的转角及总体转角。下面的选项分别是：是否显示未变形的模型；变形比例。单击“OK”显示云图。各节点总体位移结果云图如图6-41。

专业整理

word格式文档

图6-40 选择云图显示数据

图6-41 总位移云图显示

3）矢量显示节点位移：

GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Vector Plot> Predefined，弹出一个“Vector Plot of Predefined Vectors”矢量画图对话框,在“PLVECT”项中选取“DOF solution”和“Translation U”，单击“OK”，其结果如图6-42所示。

专业整理

word格式文档

图6-42 节点位移矢量显示

4）显示结构内力图： ✓ 定义单元表： GUI：Main Menu> General Postproc> Element Table> Define Table，弹出一个“Element Table Data”对话框，单击“Add”，弹出“Define Additional Element Table Items”对话框，在“Lab”项中填写“zhou_i”（定义单元i节点轴力名称），左边框中选择最后一项“By sequence num”，右边框中选择“SMISC”，下边填写“SMISC，1”，如图6-43。单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“zhou_j”，下边填写“SMISC，7”。单击“Apply”，继续定义单元i节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_i”，下边填写“SMISC，2”。单击“Apply”，继续定义单元j节点剪力，在“Lab”项中填写“jian_j”，下边填写“SMISC，8”。单击“Apply”，继续定义单元i节点弯矩，在“Lab”项中填写“wan_i”，下边填写“SMISC，6”。单击“Apply”，继续定义单元j节点轴力，在“Lab”项中填写“wan_j”，下边填写“SMISC，12”。单击“OK”关闭对话框。继续单击“Close”关闭“Element Table Data”对话框。

图6-43 定义单元表

在定义单元表的时候，需要查看帮助文件查找所用单元的单元表项目与序号。图6-44为本例题中所选用的BEAM188单元的单元坐标系图，表6-4列出了BEAM4单元表输出量的条目与序号，定义单元表的时候，根据需要输出的量查找对应的序号进行输入。

专业整理

word格式文档

图6-44 BEAM4单元

表6-4 BEAM4单元表条目与序号

输出量 MFORX(X方向力) MFORY(Y方向力) MFORZ(Z方向力) MMOMX(X方向力矩) MMOMY(Y方向力矩) MMOMZ(Z方向力矩) 项目 SMISC SMISC SMISC SMISC SMISC SMISC I节点序号 1 2 3 4 5 6 J节点序号 7 8 9 10 11 12 ✓ 列表单元表结果 GUI：Main Menu> General Postproc> Element Table> List Elem Table，弹出一个“List Element Table Data”对话框，选择刚才定义的内力名称“ZHOU_I，ZHOU_J，JIAN_I,JIAN_J，WAN_I，WAN_J”,单击“OK”，弹出文本列表“PRETAB Command”，显示了每个单元的节点内力。如图6-45。

图6-45 单元表数据

列表的最后还列出了每项最大值和最小值，以及它们所在的单元。 ✓ 显示线单元结果

GUI：Main Menu> General Postproc> Plot Results> Contour Plot> Line Elem Res，弹出“Plot Line-Element Results”对话框，“LabI、LabJ”项分别选择“ZHOU_I”和“ZHOU_J”，“Fact”项设置显示比例（默认值是1），“KUND”项选择是否显示变形。单击“OK”。显示轴力图，如图6-46。重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“JIAN_I”和“JIAN_J”，显示剪力图。重新执行显示线单元结果操作，“LabI、LabJ”项分别选择“WAN_I”和“WAN_J”，显示剪力图。由于本算例中的结构属于桁架杆系结构，杆件的剪力很小，结果不做重点考虑。

专业整理

word格式文档

图6-47 轴力图

5）列表节点结果： GUI：Main Menu> General Postproc> List Results> Nodal Solution，弹出一个“List Nodal Solution”对话框，选择“Nodal Solution-DOF Solution-Displacement vector sum”，单击“OK”。弹出每个节点的位移列表文本，其中包括每个节点的X、Y、Z方向位移和总位移，最后还列有每项最大值及出现最大值的节点。 6. 退出程序

单击工具条上的“Quit”弹出一个如图6-47所示的“Exit from ANSYS”对话框，选取一种保存方式，单击“OK”，则退出ANSYS软件。

图6-47 退出ANSYS对话框

C 命令流实现

/TITLE,Truss Bridge Static Analysis /PREP7

/COM, Structural !* /PREP7 !*

ET,1,BEAM188 !*

ET,2,SHELL181 !*

专业整理

word格式文档

SECTYPE, 1, BEAM, I, duan, 0 !*定义1号工字形截面* SECOFFSET, CENT !*截面质心不偏移*

SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.016,0.016,0.016,0,0,0,0 !*1号截面参数* SECTYPE, 2, BEAM, I, XIANHENG, 0 SECOFFSET, CENT

SECDATA,0.4,0.4,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0 SECTYPE, 3, BEAM, I, FU, 0 SECOFFSET, CENT

SECDATA,0.3,0.3,0.4,0.012,0.012,0.012,0,0,0,0 R,4,0.3, , , , , , *

MP,EX,1,2.1E11 !*MP,PRXY,1,0.3 !*MP,DENS,1,7850 !*MP,EX,2,3.5E10 !*MP,PRXY,2,0.1667 !*MP,DENS,2,2500 !*

N, ,0,0,-5, , , , !*NGEN,4,4,ALL, , ,12, , ,1, !*NGEN,2,1,ALL, , , , ,10,1, !*NGEN,2,1,2,10,4, ,16, ,1, !*NGEN,2,1,3,11,4, , ,-10,1, !*

TYPE,1 !*MAT,1 !*REAL,1 !* ESYS,0 !*SECNUM,1 !*TSHAP,LINE !*E,11,14 !*E,12,13 !*

TYPE,1 !* MAT,1 !* REAL,2 !* ESYS,0 !* SECNUM,2 !* TSHAP,LINE !* E,2,6 !*E,6,10 E,10,14 E,1,5 E,5,9 E,9,13

专业整理 定义1号材料弹性模量* 定义1号材料泊松比* 定义1号材料密度*

定义2号材料弹性模量* 定义2号材料泊松比* 定义2号材料密度* 建立节点* 复制节点* 复制节点* 复制节点* 复制节点* 选择1号单元类型* 选择1号材料* 选择1号实常数* 单元坐标系* 选择1号截面* 选择线形单元* 建立单元* 建立单元* 选择1号单元类型* 选择1号材料* 选择2号实常数* 单元坐标系* 选择2号截面* 选择线形单元* 建立单元*

word格式文档

E,3,7 E,7,11 E,4,8 E,8,12 E,1,2 E,3,4 E,5,6 E,7,8 E,9,10 E,11,12 E,13,14

TYPE,1 !* MAT,1 !* REAL,3 !* ESYS,0 !* SECNUM,3 !* TSHAP,LINE !* E,3,6 !*E,6,11 E,4,5 E,5,12 E,2,3 E,1,4 E,6,7 E,5,8 E,10,11 E,9,12

TYPE,2 !* MAT,2 !* REAL,4 !* ESYS,0 !* TSHAP,QUAD !* E,1,2,6,5 !*E,5,6,10,9 E,9,10,14,13

NSYM,X,14,ALL !*ESYM, ,14,ALL !* NUMMRG,ALL, , , ,LOW !*者*

NUMCMP,ALL !*FINISH !* 专业整理选择1号单元类型* 选择1号材料* 选择3号实常数* 单元坐标系* 选择3号截面* 选择线形单元* 建立单元* 选择2号单元类型* 选择2号材料* 选择4号实常数* 单元坐标系* 选择四边形单元* 建立单元* 所有节点以y0z平面对称* 所有单元以y0z平面对称* 合并重复节点单元，编号取较小压缩节点单元等编号* 结束前处理器*

word格式文档

/SOL !*进入求解器* NSEL,S, , ,23,24 !*选择节点*

D,ALL, ,0, , , ,UX,UY,UZ, , , , !*约束3个自由度* NSEL,S, , ,13,14 !*选择节点*

D,ALL, ,0, , , , ,UY,UZ, , , , !*约束两个自由度* NSEL,S, , ,1,2 !*选择节点*

F,ALL,FY,-10000 !*施加竖向集中力荷载* ALLSEL,ALL !*选择所有项目* ACEL,0,10,0, !*ANTYPE,0 !*SOLVE !*FINISH !*

/POST1 !*PLDISP,2 !*PLNSOL, U,SUM, 0,1.0 !*PLVECT,U, , , ,VECT,ELEM,ON,0 !*FINISH !*! /EXIT,ALL !*息*

专业整理 施加重力*

选择分析类型，静力分析* 开始求解*

结束求解器* 进入普通后处理器*

显示结构变形图* 显示总位移云图* 显示节点总位移矢量图* 结束后处理器*

退出AVSYS并保存所有信