论文导读：桥梁结构本身的自重时常占桥梁结构所受荷载的很大部分。本文用大型通用软件ANSYS模拟某连续刚构桥箱梁桥自重为例来说明ANSYS软件在这方面的应用。
关键词：有限元，ANSYS，箱梁桥，自重
在桥梁结构分析中，桥梁结构本身的自重时常占桥梁结构所受荷载的很大部分，准确模拟桥梁结构自重是常遇问题，桥梁中对等截面连续梁可看成均布荷载，但如果结构形状复杂—例如，变截面连续梁等，若沿桥梁轴线方向按均布荷载处理就不甚合理。本文用大型通用软件ANSYS模拟某连续刚构桥箱梁桥自重为例来说明ANSYS软件在这方面的应用。
1.ANSYS软件及其工作流程
ANSYS软件是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件，由世界上最大的有限元分析软件公司之一的美国ANSYS开发，对自然界四大场—力场、流场、热场、磁场实现全面分析；ANSYS用户涵盖了机械、航空航天、能源、交通运输、土木建筑、水利、电子、地矿、生物医学、教学科研等众多领域，ANSYS是这些领域进行国际国内分析设计技术交流的分析平台，是一个功能强大的有限元分析程序[1,2,3]。
ANSYS主要由前置处理(Preprocessing)、解题程序(solution)、后置处理 (Postprocessing)以及时间历程等组成，在前处理方面，ANSYS的实体建模功能比较完善，提供了完整的布尔运算，还提供了拖拉、延伸、旋转、移动、延伸和拷贝实体模型图元的功能[1,2,3]。论文参考。在此，采用了ANSYS对该桥的温度效应进行仿真分析。
ANSYS具有丰富的单元库和材料库，可以对任意结构形式的桥梁进行全桥仿真分析，较为精确的反映出桥梁在各种因素下的综合特征，如桥梁的应力应变分布、变形等等。
2.工程实例
某桥桥梁全长287.54m。主桥上部采用35m＋60m＋90m＋60m＋35m预应力混凝土刚构-连续箱梁体系；主桥主墩采用双薄壁式墩，主桥边墩采用板式桥墩。桥箱梁横断面为单幅箱梁，全宽12.0m。箱梁纵向为变截面，变截面部分箱梁梁高按二次抛物线（y=0.001829x2）变化，其余箱梁梁高为等高度；顶板、腹板厚为分段线性变截面。主墩墩顶箱梁梁高5.00m，跨中及边跨支点箱梁梁高2.00m，桥梁纵向线形图、支点和跨中断面结构尺寸详图见图2-1、图2-2和图2-3。
图2-1 桥梁纵向箱梁结构图
图2-2 支点横断面箱梁结构尺寸图（注：单位cm）
（注：单位cm）
图2-3 跨中横断面箱梁结构尺寸图（注：单位cm）
3.ANSYS仿真分析
3. 1建模
ANSYS具有丰富的单元库，常用单元有杆单元（link）、梁单元（beam）、板壳单元（shell）和实体单元（solid）。单元类型的合理选取很大程度上影响着能否科学合理的进行研究。论文参考。本例选用如图3-1所示的三维结构实体单元来模拟结构自重。
图3-1 ANSYS材料库中solid65单元图
定义实常数的时候，有三个自由度，包括三个位移自由度X、Y、Z三个方向，由于自重的方向是竖直向下的，因而输入Y为9.8（m/s2）。
应用ANSYS进行结构分析的时候需要定义材料特性，材料特性反映材料的基本物理力学特性，根据本例需要，现场实测的弹性模量为3.29×1010（Pa），密度取值为2.5×103（kg/m3）。论文参考。
ANSYS建模的时候，可以采用交互式界面输入，对于初学者，对比较简单的结构进行仿真分析的时候可采用这种方法；若结构外形尺寸比较复杂，ANSYS仿真分析的时候，可以采用命令流的方法。由于本例是变截面箱梁，故采用了命令流的方法，用ANSYS建立的模型如图3-2：
图3-2 ANSYS建立的模型图
用ANSYS进行有限元仿真分析的时候，建立模型后需要划分单元。本例中建立了桥梁的总体模型，为方便起见，用总体单元尺寸的命令流作自由式网格划分就能满足要求。划分完网格后的有限元计算模型如图3-3：
图3- 3 ANSYS建立的模型单元划分图
3. 2加载与求解
正确合理的加载是ANSYS仿真分析中的关键步骤，在不同的分析中，荷载亦不尽相同，如:位移、集中力、均布力、温度和电流、电压、水压、速度等。ANSYS中的荷载分为六类:DOF(自由度)约束力、力(集中荷载)、表面荷载、体荷载、惯性力以及藕合场荷载[1,2,3,4]。
两刚构墩底部受到基础各个方向的约束，所以进行d,all,all约束，在其他支座和桥台处受到竖直方向的约束，因而进行d,all,uy约束，在有限单元模型上施加约束后的图形如图3-4： 
图3-4 ANSYS建立的模型施加约束图
对以上所有前处理过程进行核对无误后，进入求解程序进行计算求解。
3.3后置处理
ANSYS有着功能强大的后处理器，借助它可以将解题部分所得的位移、应力、应变等解答数据以各种不同的表示方式显示出来。
进行求解后得到的全桥在自重作用下的变形图如图3-5：
图3-5 ANSYS建立的模型求解后变形图
进行求解后得到的全桥在自重作用下沿桥梁纵向的应力图如图3-6：
图3-6 有限元求解后纵桥向应力图
从应力图中，可非常清楚地看出应力的分布情况及极值。
ANSYS还可以以列表的形式表示出各节点的位移或应力，同时给出相应的极值与节点编号，并且分析者可以以记事本的方式对文件命名另存。本例跨中节点位移及最大值如图3-7：
图3-7有限元求解后节点位移输出图
4.结语
由以上分析可知：用ANSYS分析软件进行桥梁结构重力的模拟是可行的；利用ANSYS进行桥梁结构自重仿真分析时，在科学合理的建立模型、合理的划分单元、正确施加荷载与约束的情况下，可以有效地对桥梁结构进行分析研究，并且可以获得直观而条理清晰的结果。
参考文献：
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[3]. 王富耻，张朝晖.ANSYS10.0有限元分析理论与工程应用［Ｍ］.北京：电子工业出版社，2006
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[5].姚玲森.桥梁工程［Ｍ］.北京：人民交通出版社，1985
[6]. 项海帆.高等桥梁结构理论［Ｍ］.北京：人民交通出版社，2002
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