基于ANSYS開(kāi)發(fā)的橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁受力分析程序

■陳朝慰

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州　350007）

基于ANSYS開(kāi)發(fā)的橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁受力分析程序

■陳朝慰

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州350007）

利用ANSYS大的前后處理功能和求解功能，在其平臺(tái)進(jìn)行了二次開(kāi)發(fā)橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP，并詳細(xì)介紹了開(kāi)發(fā)過(guò)程和注意要點(diǎn)，與模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和塊體有限元模型計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，結(jié)果表明所開(kāi)發(fā)的程序準(zhǔn)確可行，便于橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁推廣應(yīng)用。

ANSYS二次開(kāi)發(fā)橫向分段施工預(yù)應(yīng)力箱梁

1　概述

ANSYS具有強(qiáng)大的前后處理功能和求解功能，可以分析眾多實(shí)際問(wèn)題，而且提供了多種二次開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，有利于用戶(hù)對(duì)某一類(lèi)問(wèn)題進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，方便ANSYS的求解，這樣可以大大提高用戶(hù)在分析這類(lèi)問(wèn)題上的效率和可靠性［1］。文獻(xiàn)2可知準(zhǔn)確計(jì)算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的受力性能是一個(gè)不斷迭代的過(guò)程，所以需要編制程序計(jì)算。文章從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，根據(jù)受力分析過(guò)程，在大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件—ANSYS的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編制了計(jì)算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP，并利用程序?qū)υ囼?yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行分析，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性。

2　基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的程序CBGP

2.1程序的功能特點(diǎn)和程序模塊

本文基于ANSYS的二次開(kāi)發(fā)分析程序CBGP含有38個(gè)宏文件，總共4700余行命令語(yǔ)句，包括有限元模型的建立、分析、應(yīng)力重分布計(jì)算以及計(jì)算結(jié)果的處理和查詢(xún)過(guò)程，可以用于計(jì)算不同斜交角、不同支座類(lèi)型、單跨或多跨的橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁在給定的荷載工況作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。

使用人員可以不必清楚了解應(yīng)力重分布計(jì)算的繁瑣過(guò)程，也無(wú)需掌握有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS復(fù)雜的建模、分析和結(jié)果處理的操作過(guò)程。利用二次開(kāi)發(fā)程序CBGP，只需輸入一些簡(jiǎn)單的參數(shù)，程序?qū)⒆詣?dòng)完成有限元模型的建立、荷載的施加、結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)力重分布計(jì)算以及結(jié)果的處理和查詢(xún)功能。計(jì)算結(jié)束后，CBGP程序會(huì)在ANSYS的當(dāng)前工作目錄下自動(dòng)生成幾個(gè)結(jié)果文件，包括結(jié)構(gòu)在各荷載單獨(dú)作用下的內(nèi)力和位移、截面應(yīng)力重分布的內(nèi)力和位移以及荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。程序還具有數(shù)據(jù)檢查功能，在輸入?yún)?shù)的每一步過(guò)程中，根據(jù)需要可在ANSYS的當(dāng)前工作目錄下自動(dòng)生成一個(gè)檢查文件，給出當(dāng)前輸入的參數(shù)，如果檢查有誤可作相應(yīng)的修改。

整個(gè)CBGP程序的模塊包括：建立有限元模型模塊、加載及求解模塊、應(yīng)力重分布和荷載組合計(jì)算模塊、撓度計(jì)算模塊以及結(jié)果輸出模型。CBGP程序的計(jì)算模塊如圖1所示。

2.2開(kāi)發(fā)程序模塊的過(guò)程中對(duì)幾個(gè)特殊問(wèn)題的處理

2.2.1有限元模型離散問(wèn)題

計(jì)算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的截面應(yīng)力重分布之前，應(yīng)先計(jì)算出預(yù)制工字梁與濕接縫在各荷載作用下的內(nèi)力以及截面特性，所以在建立有限元模型時(shí)，需把濕接縫與預(yù)制工字梁分開(kāi)離散，分別作為獨(dú)立的梁?jiǎn)卧幚恚员闾崛「骱奢d作用的計(jì)算結(jié)果和單元的截面特性。同時(shí)，在計(jì)算截面的應(yīng)力重分布時(shí)，為了更易于分析，網(wǎng)格劃分應(yīng)采用斜交網(wǎng)格［3］，即結(jié)構(gòu)的虛橫梁應(yīng)垂直于U軸，所以采用的網(wǎng)格劃分應(yīng)如圖2所示。

2.2.2單元的生死和預(yù)應(yīng)力加載問(wèn)題

根據(jù)橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的施工過(guò)程可知，施加預(yù)應(yīng)力時(shí)各片預(yù)制工字梁還未澆筑成一個(gè)整體，各片預(yù)制工字梁是單獨(dú)承受預(yù)加力和自重作用，因此在有限元模型上施加預(yù)應(yīng)力時(shí)，可通過(guò)生死單元［4］來(lái)實(shí)現(xiàn)，即先“殺死”各片濕接縫梁和虛橫梁的單元，然后施加預(yù)應(yīng)力和自重。待預(yù)應(yīng)力加載求解后，在下一個(gè)載荷步重新激活被“殺死”的單元，再施加其它的荷載求解運(yùn)算。扣除損失后的預(yù)應(yīng)力作用通過(guò)等效荷載法［5］實(shí)現(xiàn)。

2.2.3集中力加載問(wèn)題

對(duì)于ANSYS程序而言，當(dāng)集中力作用位置不在結(jié)構(gòu)有限元模型的結(jié)點(diǎn)上，需換算成結(jié)點(diǎn)等效荷載，才能施加在模型上。而且，由于結(jié)構(gòu)是一個(gè)平面二維的模型，所以集中力荷載要換算成4個(gè)結(jié)點(diǎn)的等效荷載。因此在用APDL編制CBGP程序時(shí)，集中力加載是一個(gè)難點(diǎn)。

如圖3所示，當(dāng)集中力F垂直作用于結(jié)構(gòu)上的A點(diǎn)時(shí)，假設(shè)存在桿BC，則根據(jù)結(jié)點(diǎn)等效荷載求法［6］可求出作用于結(jié)點(diǎn)B和C的荷載，同理可求出作用于i、i+1、j和j+ 1四個(gè)結(jié)點(diǎn)的等效荷載。

由于主梁?jiǎn)卧淖鴺?biāo)方向與結(jié)構(gòu)有限元模型的整體坐標(biāo)一致，所以只要能判斷出A點(diǎn)的與i點(diǎn)的位置關(guān)系，就可以求出各點(diǎn)的等效荷載在總體坐標(biāo)系里的正負(fù)關(guān)系，最后將各結(jié)點(diǎn)等效荷載按所在結(jié)點(diǎn)位置疊加，就可以得到各集中力作用下，各結(jié)點(diǎn)的等效荷載。

A點(diǎn)與周邊四點(diǎn)的位置關(guān)系可通過(guò)以下命令流實(shí)現(xiàn)。

j=node（xc，yc）！求出與A點(diǎn)最近的結(jié)點(diǎn)號(hào)

j，xc和yc為A點(diǎn)的坐標(biāo)；

xxc=xc-yc*tan（φ）！求出A點(diǎn)離U軸的水平距離；xxc1=nx（j）-ny（j）*tan（ang）！j結(jié)點(diǎn)離U軸的水平距離；*if，yc，lt，ny（j），then！A點(diǎn)在j點(diǎn)的上面；*if，xxc，ge，xxc1，then！A點(diǎn)在j點(diǎn)的右邊，因此A點(diǎn)在i-j-j+1-i+1范圍內(nèi)。

同理可通過(guò)A點(diǎn)的坐標(biāo)與最近結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)推導(dǎo)出A點(diǎn)與周邊四點(diǎn)的位置關(guān)系和四點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)號(hào)。所以計(jì)算集中力加載的計(jì)算框圖如圖4所示。

2.2.4CBGP程序操作流程簡(jiǎn)介

二次開(kāi)發(fā)分析程序CBGP的操作過(guò)程如下：

第一步，將CBGP分析程序所有的38個(gè)宏文件復(fù)制到ANSYS的當(dāng)前工作目錄下，或是C：Program FilesAnsys IncANSYS10docu目錄下（ANSYS10.0安裝在C盤(pán)的Program Files目錄），也可以將它們放在其它的宏搜索路徑下，有關(guān)宏搜索路徑的詳細(xì)說(shuō)明可參閱文獻(xiàn)［7］；

第二步，在ANSYS命令行中輸入CBGP，就顯示ANSYS操作界面；

第三步，輸入主梁截面的實(shí)參；

第四步，輸入主梁截面的材料屬性，輸入框如圖5所示；

第五步，輸入主梁幾何參數(shù)和建立有限元模型；

第六步，輸入各計(jì)算荷載，如汽車(chē)荷載輸入框如圖6所示；

第七步，截面的應(yīng)力重分布計(jì)算和撓度計(jì)算，計(jì)算完畢后在ANSYS工作目錄下自動(dòng)生成結(jié)果文件stress-result和w-result.txt；

第八步，輸出所需要截面的結(jié)果文件，界面顯示如圖7所示。

如上所述，CBGP程序還具有數(shù)據(jù)檢查功能，在輸入?yún)?shù)的每一步過(guò)程中，根據(jù)需要可在ANSYS的當(dāng)前工作目錄下自動(dòng)生成一個(gè)檢查文件，給出當(dāng)前輸入的參數(shù)，如果檢查有誤可作相應(yīng)的修改。圖8給出主梁幾何參數(shù)情況。

3　CBGP程序的驗(yàn)證

2的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，應(yīng)用CBGP分析程序分別計(jì)算整體澆筑斜箱梁的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮陬A(yù)應(yīng)力作用時(shí)的反拱度以及工況四的最大荷載P=300kN加載時(shí)撓度和應(yīng)變（通過(guò)式（1）求得），計(jì)算結(jié)果如表1至3所示，其與文獻(xiàn)8的塊體有限元模型計(jì)算結(jié)果和試驗(yàn)結(jié)果比較結(jié)果也列于表1至3。

式中，ε—計(jì)算點(diǎn)的應(yīng)變；

M—計(jì)算點(diǎn)所處截面受到的彎矩；z—計(jì)算點(diǎn)與截面形心軸的距離；

E、I—計(jì)算點(diǎn)所處截面的彈性模量和慣性矩。

表1　　預(yù)應(yīng)力作用下整體澆筑斜箱梁的反拱度比較（單位：mm）

表2　工況四（P=300kN）作用下整體澆筑斜箱梁的撓度比較（單位：mm）

表3　工況四（P=300kN）作用下整體澆筑斜箱梁的應(yīng)變比較（單位：με）

從表1至表3可以看出：

CBGP程序與試驗(yàn)的計(jì)算結(jié)果比較：預(yù)應(yīng)力的反拱度和工況四荷載作用下的撓度比值都在0.92至0.99之間，應(yīng)變的大多數(shù)比值都在0.88至1.01范圍內(nèi)。

CBGP程序與塊體模型計(jì)算結(jié)果比較：預(yù)應(yīng)力的反拱度和工況四荷載作用下的撓度比值都在0.94至0.97之間，應(yīng)變的比值都在0.90至0.99范圍內(nèi)。

因此CBGP程序的所建立的有限元模型計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果和塊體有限元模型計(jì)算結(jié)果都符合良好，可以用CBGP程序的有限元模型對(duì)單箱多室結(jié)構(gòu)的進(jìn)行設(shè)計(jì)分析。

4　小結(jié)

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，在大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件—ANSYS的基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，編制了計(jì)算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁受力性能的CBGP分析程序，計(jì)算人員無(wú)需了解應(yīng)力重分布的復(fù)雜過(guò)程，也無(wú)需掌握有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS復(fù)雜的建模、分析和結(jié)果處理的操作過(guò)程，只需輸入一些簡(jiǎn)單的參數(shù)，程序?qū)⒆詣?dòng)完成有限元模型的建立、荷載的施加、結(jié)構(gòu)的分析以及結(jié)果的處理和查詢(xún)功能。通過(guò)運(yùn)用修改的CBGP程序計(jì)算整體澆筑箱梁在預(yù)應(yīng)力作用下的反拱度，工況一和工況四荷載作用下的撓度與應(yīng)變，并與實(shí)測(cè)結(jié)果進(jìn)行比較，兩者吻合良好，驗(yàn)證程序的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

［1］馬文剛，孟慶峰，王慧東.基于ANSYS二次開(kāi)發(fā)的連續(xù)剛構(gòu)橋建模技術(shù)［J］.研究與設(shè)計(jì)，2006（1）：19-23.

［2］陳朝慰.橫向分段段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁受力性能研究［D］.福州大學(xué)博士論文，2007.

［3］張敬珍，徐 岳.整體斜板橋計(jì)算方法應(yīng)用研究［J］.中外公路，2003，23（3）：56-58.

［4］美國(guó)ANSYS公司北京辦事處.ANSYS高級(jí)分析手冊(cè)［M］.ANSYS中國(guó)，2012.

［5］T.Y.Lin.Load-Balancing Method for Design and Analysis of Prestressed Concrete Structures［J］.ACI Journal，1963，60（6）：719–742.

［6］趙振銘，陳寶春.桿系與箱型梁橋結(jié)構(gòu)分析及設(shè)計(jì)［M］.廣州：華南理工大學(xué)出版社，1997.

［7］博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.2.

［8］陳朝慰.橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的模型試驗(yàn)研究［J］.公路交通科技，2009，26（3）：87-93.

福建省教育廳A類(lèi)科技項(xiàng)目（JA14374）