李秋宇

（重慶交通大學(xué)，重慶400074）

1 概述

作為一種建筑材料，混凝土已有一百多年的歷史。由于易于加工和形成，所以具有良好的耐久性，低成本和便利性。隨著大跨度混凝土箱形橋的不斷優(yōu)化發(fā)展，熱應(yīng)力及其損傷對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響越來(lái)越受到技術(shù)領(lǐng)域的重視和研究。因此，在橋梁施工中，應(yīng)重視和充分考慮到溫度應(yīng)力對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的影響。

2 橋梁結(jié)構(gòu)溫度荷載的形成和特點(diǎn)

2.1 橋梁結(jié)構(gòu)溫度荷載的形成

長(zhǎng)期處于自然環(huán)境影響中的混凝土結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)會(huì)隨著大氣溫度的變化而產(chǎn)生變化，包括太陽(yáng)輻射、冷流、雨、雪以及其他各種氣象因素。

在混凝土中，水泥不僅在彈性模量上不同，而且在溫度和濕度下的變形特性也不同?？紤]微觀結(jié)構(gòu)的不均勻性，就物理和機(jī)械性能而言，混凝土不是連續(xù)體，因此，混凝土的導(dǎo)熱性相對(duì)較差。

2.2 橋梁結(jié)構(gòu)溫度荷載的特點(diǎn)

（1）日照溫度變化。太陽(yáng)光對(duì)橋梁溫度的影響是非常復(fù)雜的，太陽(yáng)輻射溫度變化引起的橋梁結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部溫度變化，是一個(gè)變化復(fù)雜的函數(shù)關(guān)系。

（2）驟然降溫溫度變化。溫度突然下降的主要原因有兩個(gè)：一是橋梁結(jié)構(gòu)受冷空氣的影響，結(jié)構(gòu)外表面迅速冷卻，結(jié)構(gòu)內(nèi)部溫度高，溫度分布低。另一個(gè)是由于氣壓引起的溫度過(guò)低，結(jié)構(gòu)的外表面的溫度迅速降低，并且結(jié)構(gòu)的內(nèi)表面的溫度幾乎不變，這在外部的高處和低處的內(nèi)部形成了較大的溫度差。

（3）年溫變化。在橋梁的混凝土結(jié)構(gòu)中，由于長(zhǎng)期的溫度變化影響，使橋梁的結(jié)構(gòu)受到一種長(zhǎng)期的緩慢影響，這使得整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)的溫度變化是均勻的。

3 基于C++的橋梁結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力算法

3.1 溫度梯度模式選取

首先用戶通過(guò)充分利用和結(jié)合現(xiàn)有混凝土材料的彈性模量、密度、泊松比、線性標(biāo)準(zhǔn)膨脹系數(shù)等特性進(jìn)行溫度梯度模式選取，并將相關(guān)數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)在臨時(shí)文件中。

混凝土溫度應(yīng)力計(jì)算器一共能夠提供十個(gè)溫度梯度，包括八個(gè)垂直溫度梯度分布和兩個(gè)橫向溫度梯度分布。一些溫度梯度模式，例如圖1 中的A，B，C，D，E，F(xiàn)，G，H，I，需要輸入?yún)⒖紲囟?，即圖中的最高溫度T℃；而圖1 中D，E 可以直接確定溫度參考值，不需要輸入，選擇原理是根據(jù)相應(yīng)的規(guī)定。

圖1 溫度梯度模式

3.2 溫度截面分析

圖2 截面分析流程圖

應(yīng)根據(jù)截面形狀分析溫度梯度的位置。溫度分區(qū)的出現(xiàn)主要是由于讀取其中NAME.SECT 文件進(jìn)行分析，其中NAME 代表分區(qū)號(hào)。扇區(qū)本文件由三部分組成：第一部分是概述，節(jié)中節(jié)點(diǎn)和項(xiàng)目的總數(shù)；第二部分在該節(jié)的元素之上，在元素排列之后，每個(gè)元素中的節(jié)點(diǎn)列出了相應(yīng)的材料屬性的數(shù)量和屬性；第三部分在節(jié)節(jié)點(diǎn)之上零件對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的順序是每個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)列出了基本分析流程如圖2 所示。之后要讀取截面信息，重復(fù)每個(gè)截面單元計(jì)算每個(gè)單元的中心點(diǎn)坐標(biāo)，然后使用指定的溫度曲線和參考溫度圖，為了得到位置溫度值，并將其與參考溫度進(jìn)行比較，根據(jù)混凝土材料的線膨脹系數(shù)的比值和數(shù)值調(diào)整線膨脹系數(shù)的值，并確保線性膨脹系數(shù)的值存在于矩陣中。

3.3 算法實(shí)現(xiàn)

完成單位循環(huán)后，得到了一系列的材料性質(zhì)，并根據(jù)材料的屬性矩陣對(duì)NAME.SECT 進(jìn)行修改，扇區(qū)部門要素信息第二部分對(duì)應(yīng)的物料屬性號(hào)顯示在實(shí)際計(jì)算的物料屬性號(hào)上這是材料特性矩陣存儲(chǔ)在一個(gè)文件中，以便在識(shí)別未來(lái)的有形材料時(shí)可以調(diào)用它；此外，段數(shù)和參考溫度存儲(chǔ)在溫度荷載池中，因此，溫度荷載將被稱為將來(lái)的荷載可以。那個(gè)以上功能主要通過(guò)創(chuàng)建動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件來(lái)實(shí)現(xiàn)，通常有六個(gè)步驟：

（1）建立與ANSYS 相容的C++源代碼。首先要建立C++源代碼，如果有必要的情況下，可以通過(guò)調(diào)用ANSYS 中cAnsys Interface.h,cAnsQuery.h 和cAnsPick.h 中事先定義好的接口程序，以外部命令的形式，對(duì)這些程序進(jìn)行應(yīng)用和實(shí)現(xiàn)。

（2）建立外部導(dǎo)出函數(shù)的定義文件。本次算法中的導(dǎo)出功能是ANSYS 主程序，它是一種應(yīng)用程序，并作為動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)（DLL）和導(dǎo)出函數(shù)DLL 之間的接口點(diǎn)。外部應(yīng)用程序只能對(duì)DLL 的導(dǎo)出函數(shù)進(jìn)行調(diào)用，但是不能對(duì)其內(nèi)部函數(shù)進(jìn)行直接調(diào)用。

導(dǎo)出函數(shù)必須在配置文件中聲明這些是圖元文件的后綴為" .Def"。并應(yīng)添加到項(xiàng)目工作目錄中，文件格式應(yīng)在第一行包含關(guān)鍵字" EXPORTS"，要導(dǎo)出的函數(shù)的名稱可以連續(xù)寫在下面。具體可參考以下示例:

關(guān)鍵詞:EXPORTS

輸出函數(shù)名稱:EXTFUNC

（3）建立動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件。通過(guò)優(yōu)化合格改進(jìn)這些源程序和配置文件，可以通過(guò)運(yùn)用Visual C ++開(kāi)發(fā)工具，對(duì)項(xiàng)目文件進(jìn)行編譯和生成，并且可以直觀的看到在項(xiàng)目目錄中創(chuàng)建的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)文件(ProName.Dll,ProName 為項(xiàng)目名稱)。

（4）建立外部命令列表文件。"ans ext.tbl"是外部數(shù)據(jù)表文件，它包括ANSYS 能夠訪問(wèn)的任何通用數(shù)據(jù)函數(shù)。ANSYS 軟件對(duì)于這些常用數(shù)據(jù)函數(shù)的數(shù)量沒(méi)有任何限制，此文件中的DLL文件格式設(shè)置如下：

DLL 文件在文件系統(tǒng)中的位置：D:mydirProName.Dll

調(diào)用ANSYS 時(shí)的名稱：-V ex Name

函數(shù)在源程序中的名稱：extfunc

（5）設(shè)置ANSYS 外部命令環(huán)境變量。在對(duì)ANSYS 程序?qū)嵭袉?dòng)命令之前，必須對(duì)外部命令環(huán)境變量ANSYS EXTERNAL PATH 進(jìn)行指定，使它能夠指向和包含外部命令列表文件（ans ext.tbl）的文件夾，該文件的位置如果位于目錄" D： Mydir "中，則可以對(duì)其環(huán)境變量進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整可以使用以下字符串對(duì)文件夾進(jìn)行引用:

set ANSYS_ EXTERNAL_ PATH=D:Mydir

（6）使用、調(diào)試和重新設(shè)置外部命令。因此，可以直接在ANSYS 界面輸入指定的外部命令名，并使用DLL 文件中的導(dǎo)出函數(shù)來(lái)創(chuàng)建新函數(shù)。這些是在ANSYS 的外部過(guò)程中也可以參考其他程序?qū)崿F(xiàn)其特定的命令。

在ANSYS 中，提供了調(diào)試命令"-DEDUG" 和設(shè)置命令"-RESET"。"-DEDUG"調(diào)試命令可以檢查ANSYS 調(diào)用的外部命令的內(nèi)容和狀態(tài)，"-RESET" 設(shè)置命令則可以使所有共享鏈接庫(kù)文件關(guān)閉，并同時(shí)對(duì)它們的內(nèi)存空間進(jìn)行清空。

3.4 程序界面規(guī)劃

在對(duì)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)的溫度應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算時(shí)，所需接口也可分為兩個(gè)模塊，第一部分是預(yù)處理，包括混凝土材料性能的定義和截面的溫度梯度分析。第二部分是計(jì)算部分，包括單位溫度載荷以及混凝土材料的界定?？梢钥吹街鹘缑娴膭h除行部分包含編程程序接口所需的所有模塊。底部菜單主要包括兩種不同類型，一種是僅執(zhí)行命令操作的菜單，另一種是對(duì)話框中的彈出式菜單。在程序的主界面中，"Define Material" 命令和"Define Load"命令僅能夠?qū)嵭袌?zhí)行操作的執(zhí)行功能，并且不會(huì)出現(xiàn)對(duì)話框。底部菜單的其余部分將出現(xiàn)在對(duì)話框中，允許用戶輸入某些參數(shù)。

4 結(jié)論

本研究以橋梁結(jié)構(gòu)的溫度載荷分布作為出發(fā)點(diǎn)，闡述和探討國(guó)內(nèi)外規(guī)范中對(duì)于溫度載荷的分布規(guī)律，通過(guò)運(yùn)用合適的程序計(jì)算方法，在ANSYS 程序中實(shí)現(xiàn)橋梁混凝土結(jié)構(gòu)溫度梯度的計(jì)算功能，并將該種算法與傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算方法進(jìn)行系統(tǒng)的比較。橋梁混凝土結(jié)構(gòu)在長(zhǎng)度方向和橫截面方向的長(zhǎng)度有很大的變化。通常，可以假設(shè)在橋的長(zhǎng)度方向上的溫度分布是相同的，并且省略了水平方向上的溫差的影響。在小梁的情況下，經(jīng)常會(huì)省略斷面水，僅考慮垂直方向的溫差影響。對(duì)于梁，根據(jù)垂直和水平方向的一維情況計(jì)算溫度差應(yīng)力。