利用有限元软件ANSYS对钢桁梁桥进行建模

利用有限元软件ANSYS对钢桁梁桥进行建模

李奇霏，徐梁晋（中南大学土木建筑学院，湖南长沙410083

作者简介：李奇霏，中南大学土木建筑学院。

摘要：文章对有限元分析软件ANSYS，以及钢桁梁桥进行了简单的介绍，并利用大型有限元软件ANSYS对钢桁梁桥进行建模，为实际工程中的研究和计算提供了方便。

关键词：ANSYS；钢桁梁桥；建模

结构建模分析是建筑设计的一个基本要求,随着科技的进步,大型有限元软件ANSYS已成为结构建模分析的有力工具，能更好地对模型进行准确快速的模拟，在工程计算领域的应用越来越广阔。

1有限元分析软件——ANSYS

ANSYS*软件是美国ANSYS公司研制的一个功能强大的大型有限元分析软件,具有强大的前处理、求解和后处理功能,目前广泛应用于航空航天、核工业、铁道、石油化工、机械制造、水利水电、生物医学、土木工程、家用产品及科学研究等领域，它是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，能与多数CAD软件接口，实现数据的共享和交换，如Pro/Engineer,NASTRAN,Alogor,I－DEAS,AutoCAD等，是现代产品设计中的高级CAD工具之一。建模所用版本为ANSYS10.0版。

2钢桁梁桥

随着时代的发展，对桥梁跨度的要求也越来越高，钢板梁的梁高增加，用钢量也相应增加，很不经济，应采用桁梁。桁梁桥主要有以下六部分组成：主桁架、桥面、桥面系、联结系、制动撑架以及支座。

主桁

主桁是桁梁桥的主要承重结构，它将承受的列车竖向荷载等传给支座。主桁由上弦、下弦和腹杆组成。腹杆又分为斜杆和竖杆。有斜杆交汇的节点称为大节点，无斜杆交汇的节点称为小节点，节点之间距离称做节间长，竖杆视其受拉或受压又分为挂杆与立柱。

桥面

钢桁架桥面多采用明桥面。主要是供列车和行人通过的部分，由下列各部分组成。

钢轨：列车的运行轨道，保证列车正常运行。

护轨：护轨和钢轨之间可约束车轮行驶，可防止列车掉道时冲出桥面；护轨可用轻型钢轨或角钢。

桥枕：钢桥的明桥面采用木枕而非混凝土轨枕是为了减轻自重，木枕具有较好的弹性，可吸收部分列车振动能量，为了便于更换枕木，桥枕的净距离最小不能小于10cm；为了防止列车脱轨时车轮卡入桥枕间最大间距不能超过21cm。

护木：其作用是固定桥枕的相对位置。一旦车轮脱轨越出护轨后，护木还可以起第二道护枕的作用。

防爬角钢：其作用是防止桥面在纵向力的作用沿纵梁抓行。防爬角钢连接在纵梁上。

枕间板：用钢筋混凝土枕间板铺设在桥枕之间，供养护人员行走用。

人行道：人行道设于线路的两侧，供养护人员走行用。

桥面系

列车活载由桥面传至桥面系，再传给主桁。桥面系由横梁、纵梁以及纵梁间的联结系组成。

此外，还有联结系、制动撑架和支座部分。

3建模流程

各杆件连接处用理想的刚接处理，主桁和纵、横梁等各杆件均采用空间梁元beam44。横梁的下翼缘与下弦杆的最下端平齐、横梁和纵梁的上翼缘保持相平，此通过设置截面偏心实现。

采用自底向上对实体模型建模。首先定义关键点，再利用这些关键点定义线。线定义好以后对其进行划分网格。此钢桁梁桥为简支梁桥，模型的支座按简支梁处理：一边的两个支座处约束竖向位移和横向位移UY、UZ，另一端的两个支座处约束三个线位移UX、UY、UZ。

4建模的命令流介绍

/prep7，进入前处理

ET,定义单元类型

MP,EX,1,2.1e11,定义弹性模量

MP,NUXY,1,0.3,定义泊松比

MP,DENS,1,7850,定义钢材密度

K，定义关键点

LSTR，k1,k2！用两个点来定义一条直线。

LATT,MAT,REAL,TYPE,--,KB,KE,SECNUM为准备划分的线定义一系列特性

MAT:材料号

REAL:实常数号

TYPE:线单元类型号

KB、KE:待划分线的定向关键点起始、终止号

SECNUM:截面类型号

5结论

由上述建模流程和有限元分析可得出如下结论：

①工程实际中的桥梁结构，其几何形状、荷载条件、边界条件、材料性质等是很复杂的，但是用有限元法对桥梁结构进行建模时，得到的模型是有效的；

②在用ANSYS进行建模的过程中，合理的选择单元类型是至关重要的，有助于减少工作量，并且可以有效的控制所需结果的输出和显示。

③建模过程中，对实际结构做适当的简化，可以大大节省建模时间，提高工作效率。

④ANSYS软件可以方便灵活地对问题进行建模分析、计算。随着版本不断地更新,可以利用其实现更多的功能，在工程计算领域会有更为广阔的应用前景。

参考文献：

[1]王国业.ANSYS10[1].0结构分析从入门到精通[M].北京:兵器工业出版社,2006.

[2]万明坤.铁路钢桁梁桥计算[M].北京:中国铁道出版社,1988.