基于ANSYS开发的横向分段施工预应力混凝土斜箱梁受力分析程序

■陈朝慰

（福建船政交通职业学院，福州　350007）

基于ANSYS开发的横向分段施工预应力混凝土斜箱梁受力分析程序

■陈朝慰

（福建船政交通职业学院，福州350007）

利用ANSYS大的前后处理功能和求解功能，在其平台进行了二次开发横向分段施工预应力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP，并详细介绍了开发过程和注意要点，与模型实验数据和块体有限元模型计算结果进行比较，结果表明所开发的程序准确可行，便于横向分段施工预应力混凝土斜箱梁推广应用。

ANSYS二次开发横向分段施工预应力箱梁

1　概述

ANSYS具有强大的前后处理功能和求解功能，可以分析众多实际问题，而且提供了多种二次开发语言，有利于用户对某一类问题进行二次开发，方便ANSYS的求解，这样可以大大提高用户在分析这类问题上的效率和可靠性［1］。文献2可知准确计算横向分段施工预应力混凝土斜箱梁的受力性能是一个不断迭代的过程，所以需要编制程序计算。文章从实际应用的角度出发，根据受力分析过程，在大型有限元结构分析软件—ANSYS的基础上进行二次开发，编制了计算横向分段施工预应力混凝土斜箱梁的受力性能分析程序CBGP，并利用程序对试验模型进行分析，与试验结果进行对比，验证程序的准确性。

2　基于ANSYS二次开发的程序CBGP

2.1程序的功能特点和程序模块

本文基于ANSYS的二次开发分析程序CBGP含有38个宏文件，总共4700余行命令语句，包括有限元模型的建立、分析、应力重分布计算以及计算结果的处理和查询过程，可以用于计算不同斜交角、不同支座类型、单跨或多跨的横向分段施工预应力混凝土斜箱梁在给定的荷载工况作用下结构的内力和位移。

使用人员可以不必清楚了解应力重分布计算的繁琐过程，也无需掌握有限元结构分析软件ANSYS复杂的建模、分析和结果处理的操作过程。利用二次开发程序CBGP，只需输入一些简单的参数，程序将自动完成有限元模型的建立、荷载的施加、结构的分析、应力重分布计算以及结果的处理和查询功能。计算结束后，CBGP程序会在ANSYS的当前工作目录下自动生成几个结果文件，包括结构在各荷载单独作用下的内力和位移、截面应力重分布的内力和位移以及荷载组合作用下结构的内力和位移。程序还具有数据检查功能，在输入参数的每一步过程中，根据需要可在ANSYS的当前工作目录下自动生成一个检查文件，给出当前输入的参数，如果检查有误可作相应的修改。

整个CBGP程序的模块包括：建立有限元模型模块、加载及求解模块、应力重分布和荷载组合计算模块、挠度计算模块以及结果输出模型。CBGP程序的计算模块如图1所示。

2.2开发程序模块的过程中对几个特殊问题的处理

2.2.1有限元模型离散问题

计算横向分段施工预应力混凝土斜箱梁的截面应力重分布之前，应先计算出预制工字梁与湿接缝在各荷载作用下的内力以及截面特性，所以在建立有限元模型时，需把湿接缝与预制工字梁分开离散，分别作为独立的梁单元处理，以便提取各荷载作用的计算结果和单元的截面特性。同时，在计算截面的应力重分布时，为了更易于分析，网格划分应采用斜交网格［3］，即结构的虚横梁应垂直于U轴，所以采用的网格划分应如图2所示。

2.2.2单元的生死和预应力加载问题

根据横向分段施工预应力混凝土斜箱梁的施工过程可知，施加预应力时各片预制工字梁还未浇筑成一个整体，各片预制工字梁是单独承受预加力和自重作用，因此在有限元模型上施加预应力时，可通过生死单元［4］来实现，即先“杀死”各片湿接缝梁和虚横梁的单元，然后施加预应力和自重。待预应力加载求解后，在下一个载荷步重新激活被“杀死”的单元，再施加其它的荷载求解运算。扣除损失后的预应力作用通过等效荷载法［5］实现。

2.2.3集中力加载问题

对于ANSYS程序而言，当集中力作用位置不在结构有限元模型的结点上，需换算成结点等效荷载，才能施加在模型上。而且，由于结构是一个平面二维的模型，所以集中力荷载要换算成4个结点的等效荷载。因此在用APDL编制CBGP程序时，集中力加载是一个难点。

如图3所示，当集中力F垂直作用于结构上的A点时，假设存在杆BC，则根据结点等效荷载求法［6］可求出作用于结点B和C的荷载，同理可求出作用于i、i+1、j和j+ 1四个结点的等效荷载。

由于主梁单元的坐标方向与结构有限元模型的整体坐标一致，所以只要能判断出A点的与i点的位置关系，就可以求出各点的等效荷载在总体坐标系里的正负关系，最后将各结点等效荷载按所在结点位置叠加，就可以得到各集中力作用下，各结点的等效荷载。

A点与周边四点的位置关系可通过以下命令流实现。

j=node（xc，yc）！求出与A点最近的结点号

j，xc和yc为A点的坐标；

xxc=xc-yc*tan（φ）！求出A点离U轴的水平距离；xxc1=nx（j）-ny（j）*tan（ang）！j结点离U轴的水平距离；*if，yc，lt，ny（j），then！A点在j点的上面；*if，xxc，ge，xxc1，then！A点在j点的右边，因此A点在i-j-j+1-i+1范围内。

同理可通过A点的坐标与最近结点的坐标推导出A点与周边四点的位置关系和四点的结点号。所以计算集中力加载的计算框图如图4所示。

2.2.4CBGP程序操作流程简介

二次开发分析程序CBGP的操作过程如下：

第一步，将CBGP分析程序所有的38个宏文件复制到ANSYS的当前工作目录下，或是C：Program FilesAnsys IncANSYS10docu目录下（ANSYS10.0安装在C盘的Program Files目录），也可以将它们放在其它的宏搜索路径下，有关宏搜索路径的详细说明可参阅文献［7］；

第二步，在ANSYS命令行中输入CBGP，就显示ANSYS操作界面；

第三步，输入主梁截面的实参；

第四步，输入主梁截面的材料属性，输入框如图5所示；

第五步，输入主梁几何参数和建立有限元模型；

第六步，输入各计算荷载，如汽车荷载输入框如图6所示；

第七步，截面的应力重分布计算和挠度计算，计算完毕后在ANSYS工作目录下自动生成结果文件stress-result和w-result.txt；

第八步，输出所需要截面的结果文件，界面显示如图7所示。

如上所述，CBGP程序还具有数据检查功能，在输入参数的每一步过程中，根据需要可在ANSYS的当前工作目录下自动生成一个检查文件，给出当前输入的参数，如果检查有误可作相应的修改。图8给出主梁几何参数情况。

3　CBGP程序的验证

2的试验数据，应用CBGP分析程序分别计算整体浇筑斜箱梁的试验模型在预应力作用时的反拱度以及工况四的最大荷载P=300kN加载时挠度和应变（通过式（1）求得），计算结果如表1至3所示，其与文献8的块体有限元模型计算结果和试验结果比较结果也列于表1至3。

式中，ε—计算点的应变；

M—计算点所处截面受到的弯矩；z—计算点与截面形心轴的距离；

E、I—计算点所处截面的弹性模量和惯性矩。

表1　　预应力作用下整体浇筑斜箱梁的反拱度比较（单位：mm）

表2　工况四（P=300kN）作用下整体浇筑斜箱梁的挠度比较（单位：mm）

表3　工况四（P=300kN）作用下整体浇筑斜箱梁的应变比较（单位：με）

从表1至表3可以看出：

CBGP程序与试验的计算结果比较：预应力的反拱度和工况四荷载作用下的挠度比值都在0.92至0.99之间，应变的大多数比值都在0.88至1.01范围内。

CBGP程序与块体模型计算结果比较：预应力的反拱度和工况四荷载作用下的挠度比值都在0.94至0.97之间，应变的比值都在0.90至0.99范围内。

因此CBGP程序的所建立的有限元模型计算结果与试验结果和块体有限元模型计算结果都符合良好，可以用CBGP程序的有限元模型对单箱多室结构的进行设计分析。

4　小结

本文从实际应用的角度出发，在大型有限元结构分析软件—ANSYS的基础上进行二次开发，编制了计算横向分段施工预应力混凝土斜箱梁受力性能的CBGP分析程序，计算人员无需了解应力重分布的复杂过程，也无需掌握有限元结构分析软件ANSYS复杂的建模、分析和结果处理的操作过程，只需输入一些简单的参数，程序将自动完成有限元模型的建立、荷载的施加、结构的分析以及结果的处理和查询功能。通过运用修改的CBGP程序计算整体浇筑箱梁在预应力作用下的反拱度，工况一和工况四荷载作用下的挠度与应变，并与实测结果进行比较，两者吻合良好，验证程序的准确性。

参考文献

［1］马文刚，孟庆峰，王慧东.基于ANSYS二次开发的连续刚构桥建模技术［J］.研究与设计，2006（1）：19-23.

［2］陈朝慰.横向分段段施工预应力混凝土斜箱梁受力性能研究［D］.福州大学博士论文，2007.

［3］张敬珍，徐 岳.整体斜板桥计算方法应用研究［J］.中外公路，2003，23（3）：56-58.

［4］美国ANSYS公司北京办事处.ANSYS高级分析手册［M］.ANSYS中国，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］赵振铭，陈宝春.杆系与箱型梁桥结构分析及设计［M］.广州：华南理工大学出版社，1997.

［7］博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例［M］.北京：中国水利水电出版社，2004.2.

［8］陈朝慰.横向分段施工预应力混凝土斜箱梁的模型试验研究［J］.公路交通科技，2009，26（3）：87-93.

福建省教育厅A类科技项目（JA14374）