■陳朝慰

（福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州　350007）

基于ANSYS開發(fā)的橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁受力分析程序

■陳朝慰

（福建船政交通職業(yè)學(xué)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(fā)橫向分段施工預(yù)應(yīng)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(fā)過程和注意要點，與模型實驗數(shù)據(jù)和塊體有限元模型計算結(jié)果進行比較，結(jié)果表明所開發(fā)的程序準確可行，便于橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁推廣應(yīng)用。

ANSYS二次開發(fā)橫向分段施工預(yù)應(yīng)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(fā)語言，有利于用戶對某一類問題進行二次開發(fā)，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(yù)應(yīng)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(yīng)用的角度出發(fā)，根據(jù)受力分析過程，在大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件—ANSYS的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，編制了計算橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP，并利用程序?qū)υ囼災(zāi)Ｐ瓦M行分析，與試驗結(jié)果進行對比，驗證程序的準確性。

2　基于ANSYS二次開發(fā)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(fā)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(yīng)力重分布計算以及計算結(jié)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(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁在給定的荷載工況作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。

使用人員可以不必清楚了解應(yīng)力重分布計算的繁瑣過程，也無需掌握有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS復(fù)雜的建模、分析和結(jié)果處理的操作過程。利用二次開發(fā)程序CBGP，只需輸入一些簡單的參數(shù)，程序?qū)⒆詣油瓿捎邢拊Ｐ偷慕?、荷載的施加、結(jié)構(gòu)的分析、應(yīng)力重分布計算以及結(jié)果的處理和查詢功能。計算結(jié)束后，CBGP程序會在ANSYS的當前工作目錄下自動生成幾個結(jié)果文件，包括結(jié)構(gòu)在各荷載單獨作用下的內(nèi)力和位移、截面應(yīng)力重分布的內(nèi)力和位移以及荷載組合作用下結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移。程序還具有數(shù)據(jù)檢查功能，在輸入?yún)?shù)的每一步過程中，根據(jù)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(shù)，如果檢查有誤可作相應(yīng)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(yīng)力重分布和荷載組合計算模塊、撓度計算模塊以及結(jié)果輸出模型。CBGP程序的計算模塊如圖1所示。

2.2開發(fā)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(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的截面應(yīng)力重分布之前，應(yīng)先計算出預(yù)制工字梁與濕接縫在各荷載作用下的內(nèi)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(yù)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(jié)果和單元的截面特性。同時，在計算截面的應(yīng)力重分布時，為了更易于分析，網(wǎng)格劃分應(yīng)采用斜交網(wǎng)格［3］，即結(jié)構(gòu)的虛橫梁應(yīng)垂直于U軸，所以采用的網(wǎng)格劃分應(yīng)如圖2所示。

2.2.2單元的生死和預(yù)應(yīng)力加載問題

根據(jù)橫向分段施工預(yù)應(yīng)力混凝土斜箱梁的施工過程可知，施加預(yù)應(yīng)力時各片預(yù)制工字梁還未澆筑成一個整體，各片預(yù)制工字梁是單獨承受預(yù)加力和自重作用，因此在有限元模型上施加預(yù)應(yīng)力時，可通過生死單元［4］來實現(xiàn)，即先“殺死”各片濕接縫梁和虛橫梁的單元，然后施加預(yù)應(yīng)力和自重。待預(yù)應(yīng)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(yù)應(yīng)力作用通過等效荷載法［5］實現(xiàn)。

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(jié)構(gòu)有限元模型的結(jié)點上，需換算成結(jié)點等效荷載，才能施加在模型上。而且，由于結(jié)構(gòu)是一個平面二維的模型，所以集中力荷載要換算成4個結(jié)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(jié)構(gòu)上的A點時，假設(shè)存在桿BC，則根據(jù)結(jié)點等效荷載求法［6］可求出作用于結(jié)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(jié)點的等效荷載。

由于主梁單元的坐標方向與結(jié)構(gòu)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(guān)系，就可以求出各點的等效荷載在總體坐標系里的正負關(guān)系，最后將各結(jié)點等效荷載按所在結(jié)點位置疊加，就可以得到各集中力作用下，各結(jié)點的等效荷載。

A點與周邊四點的位置關(guān)系可通過以下命令流實現(xiàn)。

j=node（xc，yc）！求出與A點最近的結(jié)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(jié)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(nèi)。

同理可通過A點的坐標與最近結(jié)點的坐標推導(dǎo)出A點與周邊四點的位置關(guān)系和四點的結(jié)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(fā)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(fù)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(guān)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(shù)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(yīng)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(jié)果文件stress-result和w-result.txt；

第八步，輸出所需要截面的結(jié)果文件，界面顯示如圖7所示。

如上所述，CBGP程序還具有數(shù)據(jù)檢查功能，在輸入?yún)?shù)的每一步過程中，根據(jù)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(shù)，如果檢查有誤可作相應(yīng)的修改。圖8給出主梁幾何參數(shù)情況。

3　CBGP程序的驗證

2的試驗數(shù)據(jù)，應(yīng)用CBGP分析程序分別計算整體澆筑斜箱梁的試驗?zāi)Ｐ驮陬A(yù)應(yīng)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(yīng)變（通過式（1）求得），計算結(jié)果如表1至3所示，其與文獻8的塊體有限元模型計算結(jié)果和試驗結(jié)果比較結(jié)果也列于表1至3。

式中，ε—計算點的應(yīng)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(yù)應(yīng)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(yīng)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(jié)果比較：預(yù)應(yīng)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(yīng)變的大多數(shù)比值都在0.88至1.01范圍內(nèi)。

CBGP程序與塊體模型計算結(jié)果比較：預(yù)應(yīng)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(yīng)變的比值都在0.90至0.99范圍內(nèi)。

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

4　小結(jié)

本文從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，在大型有限元結(jié)構(gòu)分析軟件—ANSYS的基礎(chǔ)上進行二次開發(fā)，編制了計算橫向分段施工預(yù)應(yīng)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(yīng)力重分布的復(fù)雜過程，也無需掌握有限元結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS復(fù)雜的建模、分析和結(jié)果處理的操作過程，只需輸入一些簡單的參數(shù)，程序?qū)⒆詣油瓿捎邢拊Ｐ偷慕ⅰ⒑奢d的施加、結(jié)構(gòu)的分析以及結(jié)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(yù)應(yīng)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(yīng)變，并與實測結(jié)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(fā)的連續(xù)剛構(gòu)橋建模技術(shù)［J］.研究與設(shè)計，2006（1）：19-23.

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福建省教育廳A類科技項目（JA14374）