用ANSYS软件计算桥梁结构的温度应力

用ANSYS软件计算桥梁结构的温度应力

第31卷 第3期2005年6月四川建筑科学研究SichuanBuildingScience

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用ANSYS软件计算桥梁结构的温度应力

段 凯1,杨新华1,杨文兵1

(华中科技大学土木工程与力学学院,湖北武汉 430074)

摘 要:温度应力是混凝土桥梁开裂的主要因素,曾造成多座预应力混凝土桥梁结构严重损害,所以在进行桥梁结构设计时,必须考虑温度应力的影响。本文在分析桥梁结构温度应力基本特点和ANSYS软件特性的基础上,利用ANSYS软件及其提供的二次开发工具开发了一个计算模块,实现了桥梁结构温度应力的求解。

关键词:温度应力;ANSYS软件;桥梁结构

中图分类号:TU311 41 文献标识码:A 文章编号:1008-1933(2005)03-0055-05

1 概 述

暴露在自然环境中的混凝土结构,受到周围环境气温以及日照等因素影响,外表面温度可能发生急变(升高或降低)。由于混凝土材料的导热系数小(一般仅为黑色金属的几十分之一),混凝土内部的温度变化非常缓慢,从而产生明显的滞后现象,并且在混凝土结构内部形成较大的温度梯度。当由此产生的温度变形被结构的内、外约束阻碍时,会产生相当大的温差应力。在混凝土桥梁结构中,温度应力有时甚至比活载产生的应力还要大,不少预应力混凝土桥梁因此发生严重裂损。随着大跨度预应力混凝土箱形桥梁结构的发展,温度应力对桥梁结构的影响和危害越来越大,因此在桥梁结构设计中,必须考虑温度应力的影响。

目前,桥梁结构温度应力的计算基本上采用力等效原理,由于过于简化,在处理复杂温度场时面临很大困难;计算使用的桥梁专用程序大多基于二维有限元理论,难以考虑梁的空间效应。近十几年来,随着计算机技术的日益发展和有限元法的广泛应用,出现了一些大型通用的有限元分析程序,但是这些程序应用于桥梁结构温度应力计算有一定的局限性,操作过程复杂。本文以ANSYS软件为计算平台,通过接口程序的开发,实现桥梁结构温度应力的自动求解。

2 计算桥梁结构温度应力的基本内容

计算桥梁结构的温度应力,必须首先确定温度场(包括温度梯度模式和温度取值大小)。实测资料分析表明[1],温度沿桥梁长度方向的分布总是很接近的,工程上可以忽略温度沿桥长方向的微小变化;而在桥梁结构的截面上,垂直方向的热传导通常远,

所以混凝土桥梁结构的热传导状态可简化为沿垂直方向的一维热传导。对于梁高较大的混凝土箱形截面桥梁,仍然需要考虑垂直和水平两个方向的热传导,可以分别计算垂直和水平方向各自的一维导热状态,然后再进行叠加。

温度场的确定是否接近实际状态是计算结构温度应力的关键。国内外许多学者对此进行了深入的研究,并且在很多国家的设计标准中体现出来。英国桥梁规范(BS-5400)、新西兰桥梁规范和日本道路桥梁设计标准都对温度场作出了相应的规定;我国公路桥涵设计规范(TJT023-85)提出了T形截面梁的顶板升温模式,铁路桥涵设计规范(TB10002.3-99)规定了箱梁温度荷载按指数函数分布进行计算。

在确定温度梯度模式和温度取值大小后,温度应力可按结构力学方法[2]或有限元方法进行计算。计算时假设梁的变形服从平截面假定,并将温度梯度模式分成线性和非线性2种分别考虑。对于线性温度梯度模式,在静定梁式结构中,只引起结构的位移而不产生温度次内力;而在超静定梁式结构中,它不但引起结构的位移,而且会因多余约束的存在,产生结构温度次内力以及温度次应力。对于非线性温度梯度模式,在静定梁式结构中,梁的挠曲变形因要服从平截面假定,导致截面上的纵向纤维因温差的伸缩而受到约束,产生纵向约束应力。这部分在截面上自相平衡的约束应力称为温度自应力;而在超静定梁式结构中,除了温度自应力外,还应考虑多余约束阻止结构变形产生的温度次内力和温度次应

收稿日期:2004-05-10

作者简介:段 凯(1979-),男,湖北武汉人,工学硕士,主要从事桥梁结构及有限元数值计算方面的研究。

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四川建筑科学研究第31卷

力,这时总的温度应力应该包括温度自应力和温度次应力,如图1

所示。

属性沿截面方向变化。以图2所示为例,箱梁结构截面的温度梯度模式是箱梁顶板均匀升温。其处理方法如下:在划分完截面单元后,定义顶板截面单元

的线膨胀系数为1E-05/ ,而其它截面单元的线膨胀系数为0/ ,加载时让整个截面都升温T ,其结果等效于箱梁顶板均匀升温T 。

由此,温度梯度荷载的截面加载问题获得解决。

图1 非线性温度梯度模式的温度应力状态

3 用ANSYS软件计算桥梁结构的温度应力3 1 ANSYS软件[3]特性简介及计算单元选取

ANSYS程序是美国ANSYS公司研制的大型CAE仿真设计工具。自1970年JohnSwanson博士创建了ANSYS公司以来,ANSYS程序已发展成为全球范围内一个功能强大的设计分析及优化软件包,提供了通用到专用的全线CAE解决方案。其完备的前处理器、强大的求解器和方便的后处理器,加上宏(Macro)、用户界面设计语言(UIDL)、用户编程特性(UPFs)和参数设计语言(APDL)等4种强大的二次开发工具,令ANSYS广泛应用于土木工程等诸多领域。

用ANSYS软件计算桥梁结构的温度应力,选用的单元是Beam188和Beam189。这2种单元是

基于第一剪切变形理论的Timoshenko梁,也就是,横向剪切应变在整个截面上为一个恒定值,服从平截面假定,截面在变形后不扭曲。Beam188和Beam189是三维空间单元,每个节点都有7个自由度,包括X,Y,Z3个方向的平移,绕X,Y,Z3个方向的转动,还有截面翘曲。可应用于任何截面,并支持多种计算模式,譬如线性、塑性、徐变等,而且其截面可以由多种材料组合构成。3 2 计算基本原理

由于Beam188和Beam189单元独特的单元属性,只要将真实的温度荷载及边界条件加载到计算模型上,求解得到的截面应力就包含温度自应力和温度次应力。因此,桥梁结构温度应力的计算大大简化。但是,这2种单元提供的温度荷载在同一截面上只能是一个恒定值,不能在截面上变化,无法考虑温度梯度变化的温度荷载。所以,温度梯度荷载的加载必须采用其它方法。

Beam188和Beam189单元提供了一个很重要的特性,那就是在截面单元上可以定义不同的材料属性。因此,加载沿截面方向变化的温度荷载就可

:,图2 截面材料属性的定义示意

3 3 计算主要过程

桥梁结构温度应力的计算分为5步:

(1)定义桥梁结构分析所要使用的单元,建立空间模型需要的截面,并对截面划分单元,保存到Name.SECT文件中(Name为截面编号)。

(2)根据工程实际情况选取适当的温度梯度模式和温度大小,读取Name.SECT文件进行分析。确定一个参考温度和相应的标准线膨胀系数,以及材料的其它属性(弹性模量、泊松比、质量等),将编号形成所需的材料矩阵写入到文件中,改写Name.SECT文件,使截面上每一个单元与其相应的材料属性号相对应。分析完一个截面后,也同样将截面号和相应的参考温度进行编号形成温度荷载矩阵后写入到文件中。

(3)进入到ANSYS主处理程序,建立桥梁的空间模型,读取截面信息和材料矩阵,定义混凝土梁单元的材料属性。再建立梁单元与相应截面、材料属性之间的联系,进行有限元离散形成有限元模型。(4)读取温度荷载矩阵,将温度荷载加载到相应的梁单元。

(5)定义桥梁结构的其它边界条件,运算求解,从后处理器中得到结构的内力值和截面的应力分布。

流程中的第2步通过 …… 此处隐藏：7783字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……