湖南大学桥梁结构仿真分析.docx

1、湖南大学桥梁结构仿真分析桥梁结构仿真分析作业一、一根长度为100m的斜拉索，水平夹角为45，截面积A0.0026m2，弹性模量为1.95E8kPa，分析其索力在1200kN至3600kN之间变化时（增量为100kN）索力与第一阶自振频率的关系曲线（边界条件按铰接考虑、不考虑垂度）。解：（1）计算条件： 利用Beam3单元，由于索力在1200kN和3600kN之间变化不，并且增量为100kN，故索力用表达式SUOLI0=1100+I*100来描述，建立有限元模型的时候，将索的一端铰接，另一端限制垂直索方向的自由，不考虑垂度效应对索的修正，通过在轴向施加变化的索力，不断计算不同索力下的第一阶自振频

2、率来求得索力与第一阶自振频率的关系。（2）计算参数： 有限元模型如下图所示： 其中：索长：100m水平夹角：45截面积A0.0026m2弹性模量为1.95E8kPa（3）计算结果：（4）命令流：FINISH/CLEAR*DIM,FREQL,ARRAY,25 !定义自振频率的数组 *DIM,SUOLI,ARRAY,25 !定义索力的数组/PREP7 !进入前处理模块标识PI=3.14152653 !定义圆周率大小 EA=0.0026 !定义截面积EE=1.95e8 !定义弹性模量EI=EA*EA/4/PI !定义截面惯性矩FORCE=1200 !定义初始索力ISTRAIN=FORCE/EA/EE

3、 !定义初应力 ET,1,BEAM3 !定义单元类型 R,1,EA,EI,0.1,0,ISTRAIN,0 !定义单元实常数 MP,EX,1,1.95e8 !定义材料常数 MP,PRXY,1,0MP,DENS,1,8.25K,1, !定义关键点 K,2,70.7,70.7,0L,1,2 !连接关键点LATT,1,1,1, !赋予单元特性值 LESIZE,1,1,1 !网格划分尺寸设置LMESH,ALL !进行划分网格 FINISH !前处理结束标识/SOL !进入求解模块标识D,1,UX,0,UY !定义边界条件 D,2,UYFINISH !求解模块结束标识 *DO,I,1,25 !进入循环求解

4、 /PREP7 SUOLI0=1100+I*100 !索力增量设置*AFUN,DEG !转化为角度制 NMODIF,2,45 !旋转端点的局部坐标系 F,2,FX,SUOLI0 !在节点2施加索力ALLSEL,ALL !选择所有项目ACEL,0,10,0 !定义重力加速度FINISH !前处理结束标识/SOL ANTYPE,0 !进行静力分析 PSTRES,ON !计入初应力SOLVE !求解标识FINISH !求解模块结束标识/SOL ANTYPE,2 !进行模态分析 MODOPT,SUBSP,1 !计算第一阶自振频率 PSTRES,ON !计入初应力SOLVE !求解标识FINISH !求

5、解模块结束标识/POST1 !进入通用后处理器标识SUOLI(I)=1100+100*I !将各索力输入索力数组*GET,FREQL(I),MODE,1,FREQL !得到自振频率 *ENDDO !结束循环 *VPLOT,SUOLI(1),FREQL(1) !画出力和频率的曲线 FINISH 二、高100m的桥墩，C50混凝土，墩底和墩顶截面布置如图所示。要求分析其在自重和墩顶作用竖向集中荷载50000kN下的特征值稳定安全系数和非线性屈曲（初始缺陷为10cm）稳定安全系数（要求给出荷载位移曲线）。（要求使用BEAM189单元）解：（1）计算条件： 利用BEAM189单元进行分析，梁截面采用变

6、截面的形式，墩高100m，墩底固结，墩顶为自由端，承受集中向下的荷载，屈曲分析中，所谓的荷载安全系数（临界荷载系数）均是对应于某种荷载工况或荷载组合。求解步骤：先按W（自重）+P（集中活载）计算屈曲，如果得到临界荷载系数S1；按W+S1P计算屈曲，得到临界荷载系数S2；按W+S1S2P计算屈曲，得到临界荷载系数S3；重复上述步骤，直到临界荷载系数接近于1.0，此时的S1S2S3Sn即为活载的最终临界荷载系数。非线性分析中，为了使得非线性现象更明显，采用10cm的初始缺陷。（2）计算参数：有限元模型如下图所示：其中： 墩高：100m 弹性模量：3.45E7kPa 泊松比：0.2 混凝土容重：25

7、kN/m3（3）计算结果： 屈曲分析中，墩顶施加单位荷载时，分析结果如下图：屈曲分析中，通过不断改变施加的竖向荷载，计算直到最终的特征值接近1.0时，如下图所示：此时，施加的竖向荷载约为600000kN，故屈曲特征值稳定安全系数为6105非线性屈曲稳定安全系数如下图所示；从图中可知，非线性屈曲稳定安全系数约为：6.6105（4）命令流： FINISH/CLEAR/PREP7SECTYPE,1,BEAM,HREC !定义墩底截面SECDATA,10,6,1,1,1,1SECTYPE,2,BEAM,HREC !定义墩顶截面SECDATA,10,3.5,0.6,0.6,0.6,0.6SECTYPE,

8、3,TAPER !定义墩底墩顶间变截面SECDATA,1,0 !定义墩底截面位置SECDATA,2,0,100 !定义墩顶截面位置ET,1,BEAM189 !定义单元类型MP,EX,1,3.45E7 !定义材料常数 MP,PRXY,1,0.2MP,DENS,1,25K,1 !定义关键点K,2,0,100K,100,100L,1,2 !连接关键点LESIZE,ALL,50 !网格划分尺寸设置LATT,1,1,100,3 !赋予单元特性值 LMESH,ALL !进行划分网格/ESHAPE,1EPLOT FINISH/SOLUANTYPE,STATIC !静力求解PSTRESS,ON !激活预应力效

9、应ACEL,0,9.83,0 !定义重力加速度 D,1,ALL !施加墩底固结约束 F,2,FY,-1 !施加单位荷载SOLVEFINISH/SOLUANTYPE,1 !特征值屈曲分析BUCOPT,SUBSP,1,0,0 !特征值屈曲分析选项SUBOPT,0,0,0,0,0,ALLSOLVEFINISH/POST1SET,FIRSTPLNSOL,U,Z,0,1 !显示结果为连续轮廓*GET,ABC,MODE,1,FREQ !得到屈曲荷载系数大小*GET,MAXD,PLNSOL,0,MAX !得到最大变形UPCOORD,0.1/MAXD,ON !施加10cm的初始变形FINISH/SOLU !再

10、次进入求解，非线性屈曲ANTYPE,STATIC !静力求解NLGEOM,ON !计入几何非线性KBC,0NSUBST,200 !分成20个子步ARCLEN,ON,10 !激活弧长法ARCTRM,U,2,2,UYOUTRESS,1 !输出每一个子步结果F,2,FY,-5E7 !墩顶施加荷载SOLVEFINISH/POST26NSOL,2,2,U,Y !定义节点26的竖向变形RFORCE,3,1,F,Y !定义节点1的竖向反力PROD,4,2,-1,1,1 !对变量符号进行修改PROD,4,2,-1,1,1/AXLAB,X,DEFLECTIONS(M) !作荷载位移曲线/axlab,y,TOTA

11、L LOAD(KN)XVAR,4PLVAR,3 !绘制荷载位移曲线 三、一跨径为10m等截面悬臂工字梁，高0.8m、宽0.3m，顶板、腹板、底板厚度分别为12mm、10mm、12mm，理想弹塑性材料本构关系、屈服强度为345MPa。自由端作用一集中荷载，计算结构从加载开始一直到破坏的全过程曲线（要求给出荷载自由端竖向位移曲线）。解：（1）计算条件： 利用beam189单元建立悬臂梁结构，梁的一段采用固结处理，另一端为自由端，在自由端施加一集中荷载，悬臂工字梁材料采用理想弹塑本构关系，如下图所示： （2）计算参数： 自由端集中荷载取值的确定： 根据结构力学的相关知识，可知梁固结处的弯矩值最大，从

12、而在梁上下边缘产生的应力最大，根据梁的屈服条件，从而确定使得固定端产生屈服的自由端最大集中力，经过计算可知，当自由端集中力130kN的时候，固定端上下翼缘开始屈服，故可以确定，程序中自由端施加的集中力定在130kN左右，因此程序中取F=150kN。有限元模型如下图所示： 其中：弹性模量：3.45E7kPa跨径：10m（3）计算结果：（4）命令流：FINISH/CLEAR/PREP7F=150 !定义荷载力 ET,1,BEAM189 !定义单元类型KEYOPT,1,7,1 !积分点输出控制 MP,EX,1,3.45E7 !定义材料常数MP,PRXY,1,0.2TB,BKIN,1 !定义材料非线性

13、 TBDATA,1,3.45E5 TBPLOTSECTYPE,1,BEAM,I !定义工字形梁截面 SECDATA,0.3,0.3,0.8,0.012,0.012,0.010K,1 !定义关键点 K,2,10K,3,10L,1,2 !连接关键点LATT,1,1,1,3,1 !设置线单元属性 LESIZE,ALL,0.2 !网格划分尺寸设置 LMESH,ALL !进行划分网格FINISH/SOLUDK,1,ALL !悬臂梁固定端固结FK,2,FY,-F !施加自由端荷载AUTOTS,OFF !取消自动荷载步 NLGEOM,ON !开起几何非线性 NSUBST,200 !定义荷载步 OUTRES,

14、ALL,ALL !输出每一个子步结果SOLVEFINISH/POST26NSOL,2,2,U,Y !定义节点的竖向变形PROD,3,2,-1 !对变量符号进行修改PROD,4,1,F/AXLAB,X,MOVEMENT(M) !作荷载位移曲线/AXLAB,Y,LOAD(KN)XVAR,3PLVAR,4 !荷载位移曲线四、一根钢筋混凝土简支梁，弹性模量23060MPa，如图。跨度3.6576m，截面尺寸为55.2522.86 cm。配有4根主受拉钢筋，总面积为25.8cm2，但没有任何腹筋。梁的跨中受一集中荷载，破坏荷载为258.1kN（其它参数参见江见鲸钢筋混凝土结构非线性有限元分析p153，陕

15、西科学技术出版社）。结构布置图解：（1）计算条件： 采用分离式模型，钢筋混凝土分析包括三种单元，分别是混凝土单元SOLID65，钢筋单元LINK8和防止出现应力集中而难以收敛的支座刚性垫块单元SOLID45，为保证较容易的收敛，收敛控制中采用关闭压碎选项，网格密度尽量保证收敛，加载点变集中荷载为局部的均布荷载。（2）计算参数： 根据钢筋混凝土结构非线性有限元分析中具体算例，可以得到具体参数如下： 混凝土本构关系描述： 由于ANSYS10.0以上版本在利用TB,MISO命令处理混凝土本构关系的时候无法描述其中下降段的曲线，故在此题中，将下降段模拟成水平直线，经过在ANSYS10.0上验证，误差很

16、小，如下图所示： 钢筋本构关系描述： 采用TB,MKIN描述钢筋本构关系，如下图所示： 结构有限元模型： 为加快就算速度，有限元模型采用的是全梁的四分之一，如下图所示：其他参数： 混凝土弹性模量：23060MPa 泊松比：0.2 钢筋弹性模量：1.914E5MPa 泊松比：0.3 刚性垫块弹性模量： 3E5MPa 泊松比：0.3 刚性垫块尺寸：114.36030（mm）（3）计算结果： 钢筋应力图： 裂缝和压碎图： 由于在加载后期结构已经破坏，此时节点已经离散，故要看裂缝和压碎图应该输入命令SET,PREVIOUS查看前一步的情况，如下图所示： 荷载位移曲线： 结构在加载后期已经破坏，程序退出

17、加载，故荷载位移曲线如下图所示：（4）对比分析 根据钢筋混凝土结构非线性有限元分析中具体算例得出的结果，可知，计算的结果基本满足图中所示的曲线关系，由此可见本计算程序结果的可靠性。 （5）命令流：FINISH/CLEAR/CONFIG,NRES,5000 !结果允许的最大值为5000/PREP7 ET,1,SOLID65,1 !定义混凝土单元类型MP,EX,1,23060 !定义材料常数MP,PRXY,1,0.2FC=24.5 !混凝土抗压和抗拉强度FT=2.45TB,CONCR,1 !定义混凝土本构关系TBDATA,0.5,0.95,FT,-1 TB,MISO,1,11TBPT,0.0002

18、,4.612 TBPT,0.0004,FC*0.36TBPT,0.0006,FC*0.51TBPT,0.0008,FC*0.64TBPT,0.001,FC*0.75TBPT,0.0012,FC*0.84TBPT,0.0014,FC*0.91TBPT,0.0016,FC*0.96TBPT,0.0018,FC*0.99TBPT,0.002,FC TBPT,0.0033,FC TBPLOT !作出混凝土本构关系图形ET,2,LINK8 !定义钢筋单元类型MP,EX,2,1.914E5 !定义材料常数MP,PRXY,2,0.3TB,MKIN,2 !定义钢筋应力应变本构关系TBTEMP,STRAINTB

19、DATA,0.00216,0.0058,0.02TBTEMP,TBDATA,413.5,662.0,917.0TBPLOT !作出钢筋本构关系图形R,2,645 !定义钢筋实常数ET,3,SOLID45 !定义刚性垫块单元类型MP,EX,3,3E5 !定义材料常数MP,PRXY,3,0.3BLC4,228.6/2,552.5,(3657.6+2*90)/2 !创建混凝土几何模型WPOFFS,3657.6/2-60/2BLC4,228.6/2,-30,60 !创建刚性垫块几何模型WPCSYS,-1WPROTA,90 !创建钢筋几何模型WPOFFS,-63.5VSBW,ALLWPOFFS,-63.

20、5VSBW,ALLWPROTA,90WPOFFS,63.5VSBW,ALLWPCSYS,-1 !创建各加载位置关键点WPOFFS,63.5VSBW,ALLWPCSYS,-1WPOFFS,3657.6/2-60/2VSBW,ALL WPOFFS,60/2VSBW,ALLWPOFFS,60/2VSBW,ALLWPCSYS,-1ELEMSIZE=40 !单元尺寸划分LSEL,S,LOC,X,63.5 !钢筋网格划分LSEL,R,LOC,Y,63.5CM,S1,LINELATT,2,2,2LESIZE,ALL,ELEMSIZELMESH,ALLLSEL,S,LOC,X,63.5LSEL,R,LOC,Y

21、,127CM,S2,LINELATT,2,2,2LESIZE,ALL,ELEMSIZELMESH,ALLLSEL,ALL/ESHAPE,1/REPLOTALLSEL,ALL !混凝土网格划分VSEL,S,LOC,Y,0,-30VATT,3,3MSHKEY,1ESIZE,ELEMSIZEVSWEEP,ALLVSEL,INVEVATT,1,1MSHKEY,1ESIZE,ELEMSIZEVSWEEP,ALLALLSEL,ALLNUMMRG,ALL,LOWWPCSYS,-1 !施加荷载和约束 LSEL,S,LOC,Y,-30LSEL,R,LOC,Z,3657.6/2 DL,ALL,UYASEL,S,L

22、OC,Z,0DA,ALL,SYMMASEL,S,LOC,X,228.6/2DA,ALL,SYMMALLSEL,ALLF=320000Q0=F/127/127 ASEL,S,LOC,Z,0,63.5ASEL,R,LOC,Y,552.5ASEL,R,LOC,X,228.6/2-63.5,228.6/2SFA,ALL,1,PRES,Q0ALLSEL,ALL/SOLU !求解控制设置ANTYPE,0 !静力求解EQSLV,-1 !指定求解器类型NSUBST,200,500,50 !指定荷载步 NLGEOM,ON !计入几何非线性AUTOTS,ON !使用自动荷载步OUTRES,ALL,ALL !输出每

23、一个子步结果NEQIT,50 !设置每个荷载子步的迭代次数为50LNSRCH,1CNVTOL,F,0.05,2,0.5 !采用荷载收敛准则，收敛误差定义 SOLVE/POST1 !设置最后荷载步的前一步，最后一步已经压碎SET,LASTSET,PREVIOUSPLDISP,1 !查看变形ESEL,S,TYPE,2 !选择所有钢筋单元ETABLE,SAXL,LS,1 !定义单元表PLLS,SAXL,SAXL !绘制钢筋应力图ESEL,S,TYPE,1 !选择混凝土单元/DEVICE,VECTOR,ON !设置矢量模型，绘制裂缝和压碎图PLCRACK/POST26NSOL,2,205,U,Y !定义节点的竖向变形PROD,3,1,F/1000 !对变量符号进行修改PROD,4,2,-1XVAR,4 !绘制荷载位移曲线PLVAR,3/AXLAB,X,DEFLECTIONS(MM) /AXLAB,Y,LOAD(KN)/YRANGE,0,300/XRANGE,0,8/REPLOT