基于 Ansys 的钢桁架桥静力和模态分析

土木结构分析专题

陈晨20104336

基于Ansys的钢桁架桥静力和模态分析

陈晨20104336

（西南交通大学力学与工程学院结构2010-01班，四川成都）

摘要：本文应用Ansys软件，采用有限元分析技术及其优化技术，分别采用GUI方式和命令流方式，对给定的一架钢桁架简支梁桥进行了静力学分析和模态分析，对强度、内力分布及前六届振型状况进行了查看。

关键词：力学；土木工程；桥梁工程；结构分析

1设计概况

图1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。桁架杆件规格有三种，见下表：

表1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

截面号1223

形状工字形工字形工字形工字形

规格

400×400×16×16400×400×12×12400×400×12×12400×300×12×12

所用材料属性如下表：

表2材料属性

参数弹性模量EX

钢材2.1×1011

混凝土3.5×1010

泊松比

PRXY密度DENS

0.37850

0.16672500

2建立有限元模型

2.1定义单元类型和选项

MainMenu>Preprocessor>ElementType>Add/Edit/Delete，弹出“ElementTypes”选择“StructuralBeam—3Delastic4”，单击“Ok”，定义“BEAM4”单元，如图6-17。继续单击“Add”按钮，选择“StructuralShell—Elastic4node63”，定义“SHELL63”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2单元类型对话框

2.2定义梁单元截面

MainMenu>Preprocessor>SectionsBeam>CommonSections，弹出“BeamTool”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”。

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图3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。以第一种工字钢为例：

图4截面特性

2.3定义实常数

MainMenu>Preprocessor>RealConstants>Add/Edit/Delete，弹出“RealConstants”对话框，单击“Add”按钮，在：“ElementTypeforR…”对话框中选择“Type1BEAM4”，在“RealConstantsSetNumber1，”对话框中，如图6-22填写。继续单击“Add”设置2号实常数，在ElementTypeforR…对话框中选择“Type2BEAM4”，在“RealConstantsSetNumber2，”对话框中，依次填写“2、0.0141、0.128e-3、0.415e-3、0.4、0.4”。继续单击“Add”设置3号实常数，在ElementTypeforR…对话框中选择“Type1BEAM4”，在“RealConstantsSetNumber3，”对话框中，依次填写“3、0.0117、0.541e-4、0.324e-3、0.3、0.4”。继续单击“Add”设置4号实常数，在ElementTypeforR…对话框中选择“Type2SHELL63”，在“RealConstantsSetNumber3，”对话框中，“TK(I)”项中填写“0.3”，其他项不写。单击“Close”关闭“RealConstants

”对话框。

图5定义壳单元实常数

2.4定义材料属性

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MainMenu>Preprocessor>MaterialProps>MaterialModels，弹出“DefineMaterialModelBehavior”对话框，在右边的栏中连续双击“Structural>Linear>Elastic>Isotropic”后，弹出“LinearIsotropicPropertiesforMaterialNumber1”对话框，如图6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设置弹性模量、泊松比和密度

继续在“DefineMaterialModelBehavior”对话框，双击“Structural>Density”，弹出“DensityforMaterialNumber1”对话框，如图6所示，在“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。“DefineMaterialModelBehavior”对话框的Material菜单中选择“Newmodel”，按照默认的材料编号，点击“OK”。这时“DefineMaterialModelBehavior”对话框左边出现“MaterialModelNumber2”，同第一种材料的设置方法一样，“LinearIsotropic”中“EX”输入“3.5e10”，“PRXY”输入“0.1667”，“DENS”输入“2500”，单击“OK”结束。如图7。最后关闭“DefineMaterialModelBehavior

”对话框。

图7定义材料属性

2.5建立有限元模型

2.5.1生成半跨桥的节点：

UtilityMenu>Modeling>Create>Nodes>InActiveCS，弹出“CreateNodesinActiveCS”对话框，在“X，Y，Z”输入行输入：“0，0，-5”，单击“OK”。

然后UtilityMenu>Modeling>Copy>Nodes>Copy，通过“Copynodes”复制节点，生成半跨桥节点，如图8

。

图8半桥模型的节点

2.5.2生成半桥跨单元：选择第一种单元属性：

UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>ElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框。单击“OK”关闭窗口，点选节点建立端斜杆梁单元：

依次选择第二、三种单元属性，建立上下弦杆和横梁杆梁单元。

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图9半桥杆单元

选择第四种单元属性：UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>ElemAttributes，弹出“ElementAttributes”对话框，“TYPE”项选择“2SHELL63”，“MAT”项选择“2”，“SECNUM”项中选择“NoSection”，“TSHAP”项选择“4nodequad”，其他选项不变。单击“OK”关闭窗口。

建立桥面板单元：UtilityMenu>Modeling>Create>Elements>AutoNumbered>ThruNodes，弹出“ElemfromNodes”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10建立桥面板单元

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2.5.3生成全桥有限元模型：

通过Reflect方法，生成对称的另半跨。全桥模型如图11

所示。

图11全桥模型

2.6加边界条件和载荷2.6.1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。

选择23和24号节点，约束“UX，UY，UZ”，选择13和14号节点，约束“UY，UZ”。结果如图12。

图12施加位移约束后的模型

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图12施加所有荷载后的模型

2.6.2施加集中力：

在跨中两节点处施加集中力荷载。MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Force/Moment>OnNodes，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“ApplyF/MNodes”对话框，“Lab”项选择“FY”，“VALUE”项填写“-100000”。2.6.3施加重力：

MainMenu>Solution>DefineLoads>Apply>Structural>Inertia>Gravity>Global，弹出“ApplyAcceleration”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12。

3求解

1）选择分析类型：static。

2）开始求解：MainMenu>Solution>Solve>CurrentLS，弹出一个名为“/STATUSCommand”的文本框，检查无误后，单击“Close”。在弹出的另一个“SolveCurrentLoadStep”对话框中单

击“OK”。求解结束后，关闭“Solutionisdone”对话框。

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