基于C++ 的桥梁结构温度应力算法研究

李秋宇

（重庆交通大学，重庆400074）

1 概述

作为一种建筑材料，混凝土已有一百多年的历史。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。随着大跨度混凝土箱形桥的不断优化发展，热应力及其损伤对桥梁结构的影响越来越受到技术领域的重视和研究。因此，在桥梁施工中，应重视和充分考虑到温度应力对于桥梁结构的影响。

2 桥梁结构温度荷载的形成和特点

2.1 桥梁结构温度荷载的形成

长期处于自然环境影响中的混凝土结构，其结构会随着大气温度的变化而产生变化，包括太阳辐射、冷流、雨、雪以及其他各种气象因素。

在混凝土中，水泥不仅在弹性模量上不同，而且在温度和湿度下的变形特性也不同。考虑微观结构的不均匀性，就物理和机械性能而言，混凝土不是连续体，因此，混凝土的导热性相对较差。

2.2 桥梁结构温度荷载的特点

（1）日照温度变化。太阳光对桥梁温度的影响是非常复杂的，太阳辐射温度变化引起的桥梁结构表面和内部温度变化，是一个变化复杂的函数关系。

（2）骤然降温温度变化。温度突然下降的主要原因有两个：一是桥梁结构受冷空气的影响，结构外表面迅速冷却，结构内部温度高，温度分布低。另一个是由于气压引起的温度过低，结构的外表面的温度迅速降低，并且结构的内表面的温度几乎不变，这在外部的高处和低处的内部形成了较大的温度差。

（3）年温变化。在桥梁的混凝土结构中，由于长期的温度变化影响，使桥梁的结构受到一种长期的缓慢影响，这使得整个桥梁结构的温度变化是均匀的。

3 基于C++的桥梁结构温度应力算法

3.1 温度梯度模式选取

首先用户通过充分利用和结合现有混凝土材料的弹性模量、密度、泊松比、线性标准膨胀系数等特性进行温度梯度模式选取，并将相关数据临时存储在临时文件中。

混凝土温度应力计算器一共能够提供十个温度梯度，包括八个垂直温度梯度分布和两个横向温度梯度分布。一些温度梯度模式，例如图1 中的A，B，C，D，E，F，G，H，I，需要输入参考温度，即图中的最高温度T℃；而图1 中D，E 可以直接确定温度参考值，不需要输入，选择原理是根据相应的规定。

图1 温度梯度模式

3.2 温度截面分析

图2 截面分析流程图

应根据截面形状分析温度梯度的位置。温度分区的出现主要是由于读取其中NAME.SECT 文件进行分析，其中NAME 代表分区号。扇区本文件由三部分组成：第一部分是概述，节中节点和项目的总数；第二部分在该节的元素之上，在元素排列之后，每个元素中的节点列出了相应的材料属性的数量和属性；第三部分在节节点之上零件对应节点的顺序是每个节点的坐标列出了基本分析流程如图2 所示。之后要读取截面信息，重复每个截面单元计算每个单元的中心点坐标，然后使用指定的温度曲线和参考温度图，为了得到位置温度值，并将其与参考温度进行比较，根据混凝土材料的线膨胀系数的比值和数值调整线膨胀系数的值，并确保线性膨胀系数的值存在于矩阵中。

3.3 算法实现

完成单位循环后，得到了一系列的材料性质，并根据材料的属性矩阵对NAME.SECT 进行修改，扇区部门要素信息第二部分对应的物料属性号显示在实际计算的物料属性号上这是材料特性矩阵存储在一个文件中，以便在识别未来的有形材料时可以调用它；此外，段数和参考温度存储在温度荷载池中，因此，温度荷载将被称为将来的荷载可以。那个以上功能主要通过创建动态链接库文件来实现，通常有六个步骤：

（1）建立与ANSYS 相容的C++源代码。首先要建立C++源代码，如果有必要的情况下，可以通过调用ANSYS 中cAnsys Interface.h,cAnsQuery.h 和cAnsPick.h 中事先定义好的接口程序，以外部命令的形式，对这些程序进行应用和实现。

（2）建立外部导出函数的定义文件。本次算法中的导出功能是ANSYS 主程序，它是一种应用程序，并作为动态链接库（DLL）和导出函数DLL 之间的接口点。外部应用程序只能对DLL 的导出函数进行调用，但是不能对其内部函数进行直接调用。

导出函数必须在配置文件中声明这些是图元文件的后缀为" .Def"。并应添加到项目工作目录中，文件格式应在第一行包含关键字" EXPORTS"，要导出的函数的名称可以连续写在下面。具体可参考以下示例:

关键词:EXPORTS

输出函数名称:EXTFUNC

（3）建立动态链接库文件。通过优化合格改进这些源程序和配置文件，可以通过运用Visual C ++开发工具，对项目文件进行编译和生成，并且可以直观的看到在项目目录中创建的动态链接库文件(ProName.Dll,ProName 为项目名称)。

（4）建立外部命令列表文件。"ans ext.tbl"是外部数据表文件，它包括ANSYS 能够访问的任何通用数据函数。ANSYS 软件对于这些常用数据函数的数量没有任何限制，此文件中的DLL文件格式设置如下：

DLL 文件在文件系统中的位置：D:mydirProName.Dll

调用ANSYS 时的名称：-V ex Name

函数在源程序中的名称：extfunc

（5）设置ANSYS 外部命令环境变量。在对ANSYS 程序实行启动命令之前，必须对外部命令环境变量ANSYS EXTERNAL PATH 进行指定，使它能够指向和包含外部命令列表文件（ans ext.tbl）的文件夹，该文件的位置如果位于目录" D： Mydir "中，则可以对其环境变量进行调整，调整可以使用以下字符串对文件夹进行引用:

set ANSYS_ EXTERNAL_ PATH=D:Mydir

（6）使用、调试和重新设置外部命令。因此，可以直接在ANSYS 界面输入指定的外部命令名，并使用DLL 文件中的导出函数来创建新函数。这些是在ANSYS 的外部过程中也可以参考其他程序实现其特定的命令。

在ANSYS 中，提供了调试命令"-DEDUG" 和设置命令"-RESET"。"-DEDUG"调试命令可以检查ANSYS 调用的外部命令的内容和状态，"-RESET" 设置命令则可以使所有共享链接库文件关闭，并同时对它们的内存空间进行清空。

3.4 程序界面规划

在对桥梁混凝土结构的温度应力进行计算时，所需接口也可分为两个模块，第一部分是预处理，包括混凝土材料性能的定义和截面的温度梯度分析。第二部分是计算部分，包括单位温度载荷以及混凝土材料的界定。可以看到主界面的删除行部分包含编程程序接口所需的所有模块。底部菜单主要包括两种不同类型，一种是仅执行命令操作的菜单，另一种是对话框中的弹出式菜单。在程序的主界面中，"Define Material" 命令和"Define Load"命令仅能够实行执行操作的执行功能，并且不会出现对话框。底部菜单的其余部分将出现在对话框中，允许用户输入某些参数。

4 结论

本研究以桥梁结构的温度载荷分布作为出发点，阐述和探讨国内外规范中对于温度载荷的分布规律，通过运用合适的程序计算方法，在ANSYS 程序中实现桥梁混凝土结构温度梯度的计算功能，并将该种算法与传统的结构力学计算方法进行系统的比较。桥梁混凝土结构在长度方向和横截面方向的长度有很大的变化。通常，可以假设在桥的长度方向上的温度分布是相同的，并且省略了水平方向上的温差的影响。在小梁的情况下，经常会省略断面水，仅考虑垂直方向的温差影响。对于梁，根据垂直和水平方向的一维情况计算温度差应力。