基于ANSYS開發的橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁受力分析程序

■陳朝慰

（福建船政交通職業學院，福州　350007）

基于ANSYS開發的橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁受力分析程序

■陳朝慰

（福建船政交通職業學院，福州350007）

利用ANSYS大的前后處理功能和求解功能，在其平臺進行了二次開發橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP，并詳細介紹了開發過程和注意要點，與模型實驗數據和塊體有限元模型計算結果進行比較，結果表明所開發的程序準確可行，便于橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁推廣應用。

ANSYS二次開發橫向分段施工預應力箱梁

1　概述

ANSYS具有強大的前后處理功能和求解功能，可以分析眾多實際問題，而且提供了多種二次開發語言，有利于用戶對某一類問題進行二次開發，方便ANSYS的求解，這樣可以大大提高用戶在分析這類問題上的效率和可靠性［1］。文獻2可知準確計算橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁的受力性能是一個不斷迭代的過程，所以需要編制程序計算。文章從實際應用的角度出發，根據受力分析過程，在大型有限元結構分析軟件—ANSYS的基礎上進行二次開發，編制了計算橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP，并利用程序對試驗模型進行分析，與試驗結果進行對比，驗證程序的準確性。

2　基于ANSYS二次開發的程序CBGP

2.1程序的功能特點和程序模塊

本文基于ANSYS的二次開發分析程序CBGP含有38個宏文件，總共4700余行命令語句，包括有限元模型的建立、分析、應力重分布計算以及計算結果的處理和查詢過程，可以用于計算不同斜交角、不同支座類型、單跨或多跨的橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁在給定的荷載工況作用下結構的內力和位移。

使用人員可以不必清楚了解應力重分布計算的繁瑣過程，也無需掌握有限元結構分析軟件ANSYS復雜的建模、分析和結果處理的操作過程。利用二次開發程序CBGP，只需輸入一些簡單的參數，程序將自動完成有限元模型的建立、荷載的施加、結構的分析、應力重分布計算以及結果的處理和查詢功能。計算結束后，CBGP程序會在ANSYS的當前工作目錄下自動生成幾個結果文件，包括結構在各荷載單獨作用下的內力和位移、截面應力重分布的內力和位移以及荷載組合作用下結構的內力和位移。程序還具有數據檢查功能，在輸入參數的每一步過程中，根據需要可在ANSYS的當前工作目錄下自動生成一個檢查文件，給出當前輸入的參數，如果檢查有誤可作相應的修改。

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

2.2開發程序模塊的過程中對幾個特殊問題的處理

2.2.1有限元模型離散問題

計算橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁的截面應力重分布之前，應先計算出預制工字梁與濕接縫在各荷載作用下的內力以及截面特性，所以在建立有限元模型時，需把濕接縫與預制工字梁分開離散，分別作為獨立的梁單元處理，以便提取各荷載作用的計算結果和單元的截面特性。同時，在計算截面的應力重分布時，為了更易于分析，網格劃分應采用斜交網格［3］，即結構的虛橫梁應垂直于U軸，所以采用的網格劃分應如圖2所示。

2.2.2單元的生死和預應力加載問題

根據橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁的施工過程可知，施加預應力時各片預制工字梁還未澆筑成一個整體，各片預制工字梁是單獨承受預加力和自重作用，因此在有限元模型上施加預應力時，可通過生死單元［4］來實現，即先“殺死”各片濕接縫梁和虛橫梁的單元，然后施加預應力和自重。待預應力加載求解后，在下一個載荷步重新激活被“殺死”的單元，再施加其它的荷載求解運算?？鄢龘p失后的預應力作用通過等效荷載法［5］實現。

2.2.3集中力加載問題

對于ANSYS程序而言，當集中力作用位置不在結構有限元模型的結點上，需換算成結點等效荷載，才能施加在模型上。而且，由于結構是一個平面二維的模型，所以集中力荷載要換算成4個結點的等效荷載。因此在用APDL編制CBGP程序時，集中力加載是一個難點。

如圖3所示，當集中力F垂直作用于結構上的A點時，假設存在桿BC，則根據結點等效荷載求法［6］可求出作用于結點B和C的荷載，同理可求出作用于i、i+1、j和j+ 1四個結點的等效荷載。

由于主梁單元的坐標方向與結構有限元模型的整體坐標一致，所以只要能判斷出A點的與i點的位置關系，就可以求出各點的等效荷載在總體坐標系里的正負關系，最后將各結點等效荷載按所在結點位置疊加，就可以得到各集中力作用下，各結點的等效荷載。

A點與周邊四點的位置關系可通過以下命令流實現。

j=node（xc，yc）！求出與A點最近的結點號

j，xc和yc為A點的坐標；

xxc=xc-yc*tan（φ）！求出A點離U軸的水平距離；xxc1=nx（j）-ny（j）*tan（ang）！j結點離U軸的水平距離；*if，yc，lt，ny（j），then！A點在j點的上面；*if，xxc，ge，xxc1，then！A點在j點的右邊，因此A點在i-j-j+1-i+1范圍內。

同理可通過A點的坐標與最近結點的坐標推導出A點與周邊四點的位置關系和四點的結點號。所以計算集中力加載的計算框圖如圖4所示。

2.2.4CBGP程序操作流程簡介

二次開發分析程序CBGP的操作過程如下：

第一步，將CBGP分析程序所有的38個宏文件復制到ANSYS的當前工作目錄下，或是C：Program FilesAnsys IncANSYS10docu目錄下（ANSYS10.0安裝在C盤的Program Files目錄），也可以將它們放在其它的宏搜索路徑下，有關宏搜索路徑的詳細說明可參閱文獻［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，輸入主梁幾何參數和建立有限元模型；

第六步，輸入各計算荷載，如汽車荷載輸入框如圖6所示；

第七步，截面的應力重分布計算和撓度計算，計算完畢后在ANSYS工作目錄下自動生成結果文件stress-result和w-result.txt；

第八步，輸出所需要截面的結果文件，界面顯示如圖7所示。

如上所述，CBGP程序還具有數據檢查功能，在輸入參數的每一步過程中，根據需要可在ANSYS的當前工作目錄下自動生成一個檢查文件，給出當前輸入的參數，如果檢查有誤可作相應的修改。圖8給出主梁幾何參數情況。

3　CBGP程序的驗證

2的試驗數據，應用CBGP分析程序分別計算整體澆筑斜箱梁的試驗模型在預應力作用時的反拱度以及工況四的最大荷載P=300kN加載時撓度和應變（通過式（1）求得），計算結果如表1至3所示，其與文獻8的塊體有限元模型計算結果和試驗結果比較結果也列于表1至3。

式中，ε—計算點的應變；

M—計算點所處截面受到的彎矩；z—計算點與截面形心軸的距離；

E、I—計算點所處截面的彈性模量和慣性矩。

表1　　預應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變比較（單位：με）

從表1至表3可以看出：

CBGP程序與試驗的計算結果比較：預應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，應變的大多數比值都在0.88至1.01范圍內。

CBGP程序與塊體模型計算結果比較：預應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，應變的比值都在0.90至0.99范圍內。

因此CBGP程序的所建立的有限元模型計算結果與試驗結果和塊體有限元模型計算結果都符合良好，可以用CBGP程序的有限元模型對單箱多室結構的進行設計分析。

4　小結

本文從實際應用的角度出發，在大型有限元結構分析軟件—ANSYS的基礎上進行二次開發，編制了計算橫向分段施工預應力混凝土斜箱梁受力性能的CBGP分析程序，計算人員無需了解應力重分布的復雜過程，也無需掌握有限元結構分析軟件ANSYS復雜的建模、分析和結果處理的操作過程，只需輸入一些簡單的參數，程序將自動完成有限元模型的建立、荷載的施加、結構的分析以及結果的處理和查詢功能。通過運用修改的CBGP程序計算整體澆筑箱梁在預應力作用下的反拱度，工況一和工況四荷載作用下的撓度與應變，并與實測結果進行比較，兩者吻合良好，驗證程序的準確性。

參考文獻

［1］馬文剛，孟慶峰，王慧東.基于ANSYS二次開發的連續剛構橋建模技術［J］.研究與設計，2006（1）：19-23.

［2］陳朝慰.橫向分段段施工預應力混凝土斜箱梁受力性能研究［D］.福州大學博士論文，2007.

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

［4］美國ANSYS公司北京辦事處.ANSYS高級分析手冊［M］.ANSYS中國，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.桿系與箱型梁橋結構分析及設計［M］.廣州：華南理工大學出版社，1997.

［7］博弈創作室.APDL參數化有限元分析技術及其應用實例［M］.北京：中國水利水電出版社，2004.2.

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

福建省教育廳A類科技項目（JA14374）