桥梁计算（常用的计算方法）在Ansys单元库中，有近200种单元类型，在本章中将讨论一些在桥梁工程中常用到的单元，包括一些单元的输人参数，如单元名称、节点、自由度、实常数、材料特性、表面荷载、体荷载、专用特性、关键选项KEYOPl等。

＊＊＊关于单元选择问题这是一个大问题，方方面面很多，主要是掌握有限元的理论知识。

首先当然是由问题类型选择不同单元，二维还是三维，梁，板壳，体，细梁，粗梁，薄壳，厚壳，膜等等，再定义你的材料：各向同性或各向异性，混凝土的各项’参数，粘弹性等等。

接下来是单元的划分与网格、精度与求解时间的要求等选择，要对各种单元的专有特性有个大概了解。

使用Ansys，还要了解Ansys的一个特点是笼统与通用，因此很多东西被掩盖到背后去了。

比如单元类型，在Solid里面看到十几种选择，Solid45，Solidl85，Solid95等，看来区别只是节点数目上。

但是实际上每种类型里还有Keyopt分成多种类型，比如最常用的线性单元Solid45，其Keyopt(1)：in●cludeorexclude extradisplacement shapes，就分为非协调元和协调元，Keyopt (2)：fullintegration。

rreducedintegration其实又是两种不同的单元，这样不同组合一下这个Solid45实际上是包含了6种不同单元，各有各的不同特点和用处。

因此使用Ansys要注意各单元的Keyopt选项。

不同的选项会产生不同的结果。

·举例来说：对线性元例如Solid45，要想把弯曲问题计算得比较精确，必须要采用非协调模式。

采用完全积分会产生剪切锁死，减缩积分又会产生零能模式(ZEM)，非协调的线性元可以达到很高的精度，并且计算量比高阶刷、很多，在变形较大时，用Enhanced Strain比非协调位移模式(Enhaced Displacement)更好(Solidl85)。

但是这些非协调元都要求网格比较规则才行，网格不规则的话，精度会大大下降，所以如何划分网格也是一门实践性很强的学问。

采用高阶单元是提高精度的好办法，拿不定主意时采用高阶元是个比较保险的选择，但是高阶单元在某些情况下也会出现剪切锁死，并且很难发现，因此用减缩积分的高阶元通常是最保险的选择，但是在大位移时，网格扭曲较大，减缩积分就不适用。

不同结构形式的桥梁具有不同的力学行为，必须针对性地创建其模型，’选择维数最低的单元去获得预期的效果(尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体)。

下面的几节介绍一下桥梁工程计算中经常会用到的单元。

＊＊＊桥梁仿真单元类型一、建议选用的单元类型在桥梁用Ansys建立模型时，可参照以下建议用的单元进行桥梁模型的建立。

．1．梁(配筋)单元：桥墩、箱梁、纵横梁。

2．板壳(配筋)单元：桥面系统。

3．实体(配筋)单元：桥墩系统、基础结构。

4．拉杆单元：拱桥的系杆、吊杆。

5．拉索单元：斜拉桥的索、悬索桥的钢丝绳。

6．预紧单元：索力控制、螺栓铆钉连接。

7．连接单元：支座、地基。

二、常见桥梁连接部位在桥梁建立模型时要准确模拟边界条件，因此要准确分析连接部位的固有特性。

(一)常见桥梁连接部位1．固定支座、铰支、可滑移支座等空间支座系统。

2．带减振和隔振措施的减振支座系统。

3．地基—主体之间桩-基系统。

4．刚构之间的螺栓连接、铆接等。

5．梁管之间的球接和铰接等。

(二)连接部分解决方法Ansys在解决桥梁不同的连接部位时可选用如下的方法：1．Combin7、Combin40、Linkll、Contact52、Combine38弹簧(阻尼、间隙元)：可用来模拟支座、绳索、拉杆等桥梁部件。

2．预紧单元可解决螺栓、铆钉连接的问题。

，3．二力杆拉杆、索可解决拉索问题。

4．耦合与约束方程可解决梁与塔横梁的边界约束关系。

5．接触单元如Contact52可模拟滑动支座、销接等部件的真实情况。

(三)常见桥梁接触问题桥梁各个部分之间可能存在如下三种接触方式。

1．滑移连接：点点接触。

2．绑定连接：点面接触。

3．转动连接：面面接触。

用接触单元可模拟如：滑移支座接触、挡块与其他部件的接触、振动时不同构件的碰撞等问题，这里不再一一赘述。

．三、桥梁基础的处理方式为了真实的模拟桥梁的实际情况，需要真实模拟桥梁的基础受力、变形及约束情况，建议建立模型时采用如下方案。

1．基础平台与桩基：用实体模型、预应力配筋。

’2．基础与岩土系统：有限区域实体模型、预应力配筋。

＊＊＊桥梁常见模型处理一、桥梁中常用的模型可以用相应的单元1．刚构桥、拱桥：梁与杆单元组合模型。

2．钢管混凝土：复合截面梁模型。

3．连续梁：梁模型。

4．斜拉桥／悬索桥：梁、板壳、索或杆单元组合模型。

5，立交桥：实体墩、板壳桥面和加强梁混合模型。

6．局部详细计算：实体(考虑配筋)或板模型，以便考虑模型细节特征，如结构尺寸构造倒角、厚薄或粗细过度、凹凸部分以及配筋等。

二、桥梁建模要综合运用各种合适的单元对桥梁进行总体分析应该遵循如下原则：1．支座系统采用弹簧—阻尼系统；··2．连接部位采用耦合与约束方程；3．桥墩系统采用截面梁、配筋梁；4．桥面系统采用截面梁、配筋梁、板壳、梁板组合。

对桥梁进行局部分析应该遵循如下原则：1．支座系统采用实体模型：粘弹(粘塑、超弹、塑性)大变形(位移)；2．连接部位采用接触模型：实体、板壳、梁或组合模型；3．桥墩系统采用实体模型：配筋与混凝土破坏；4．桥面系统采用实体或板壳：配筋与混凝土破坏，组合梁之间的耦合与约束方程。

三、选用合适的分析方法、在对桥梁进行建模计算时对不同的计算目的要采取不同的计算步骤。

(一)静态计算1．根据分析类型承载特点建立合理梁、板、实体、拉杆(模拟索)模型；2．材料与几何非线性效应；3．连接部位与支座的正确处理。

(二)动力分析1．尽量采用梁、板壳或二者组合模型；2．附属结构简化为质点，建立与总体结构耦合关系；3．连接部位与支座自由度协调合理；4．应当考虑大变形、初应力以及预张力的动力影响；5．必须正确考虑阻尼效应；6．材料与几何非线性效应。

施加预应力的方式一、预应力的模拟方式Ansys里加预应力有几种方式：1．直接在单元中加，(Linkl0等单元可以通过Real实常数来加)。

2．用F加力，然后在分析时打开Prestl~ss，加。

3．用温度变化模拟。

在常用的软件系统中，预应力混凝土分析根据作用不妨分为两类：分离式和整体式。

所谓分离式就是将混凝土和力筋的作用分别考虑(脱离体)，以荷载的形式取代预应力钢筋的作用，典型．的如等效荷载法；而整体式则是将二者的作用一起考虑，典型的如Ansys中用Link单元模拟力筋的方法。

(一)线性或非线性的考虑对于预应力混凝土结构，只要是开裂前阶段的应力分析，完全可以将混凝土视为弹性材料，当然钢筋也是弹性材料，这主要在使用荷载阶段的应力分析。

假如要进行开裂和极限分析，则必须考虑二者的非线性特性。

(二)分离式方法(等效荷载法)的特点主要优点是建模简单，不必考虑力筋的位置而可直接建模，当然网格划分也简单，对结构在预应力作用下的整体效应可比较快捷地掌握。

其缺点是比较明显的：①不便模拟细部，例如力筋所在位置对结构的影响显然是不同的，假如一定要模拟，则荷载必须施加在力筋的位置上，故其建模的方便性就消失了；‘②等效荷载法没有考虑力筋对混凝土的作用分布和方向，力筋对混凝土作用显然在各处是不同的，而等效荷载法则没有计及此点；③对张拉过程无法模拟；，④在其他外荷载作用下的共同作用不便考虑，否则要加入力筋(其建模则同整体式)，不能确定力筋在外荷载作用下的应力增量；⑤可以模拟应力损失的影响。

但是对于只关注预应力混凝土结构的基本性能时，可以考虑采用等效荷载法。

’(三)整体式方法的特点将混凝土和力筋划分为不同的单元‘逛考虑，而模拟预应力可以采用降温方法和初应变方法。

降温方法比较简单，同时可以模拟力筋的损失，单元和实常数几种即可；而采用初应变又要模拟力筋各处不同的应力时，每个单元的实常数各不相等，工作量较大。

所以比较而言，采用整体式时考虑降温方法为宜。

主要缺点是建模不便，尤其是当力筋较多且曲线布筋时(可以采用APDL解决)；其优点也比较明显：①力筋的具体位置一定，对结构的影响可全面的考虑；②力筋对混凝土的作用近似的得到考虑(在结点处)；③可以模拟张拉不同的力筋，以优化张拉顺序；④不管何种荷载，都是力筋和混凝土共同承担的，可以得到力筋在任何荷载下的应力；⑤可以模拟应力损失的影响。

但在后张法中有几个问题是应该考虑的(当然可以不予理睬)：①力筋的滑动问题。

在张拉过程中，力筋与混凝土之间没有粘结，存在接触和滑动，而张拉完毕后，一般又都建立了粘结。

这个问题可以这样考虑，因为分析总是张拉完毕(哪怕是某一束)，这时显然没有滑动问题了，即可以按有粘结处理；而在荷载作用下有了粘结，自然可以按有粘结处理。

②在张拉完毕后力筋的应力是已知的，在分析时输入降温也是按张拉应力反算的，计算后力筋的应力显然不等于张拉应力。

这里有弹性压缩的问题，即降温应该计人混凝土弹性压缩损失，你可以考虑增大一定的比例，然后降温计算，二者相符或差别合适时认可。

综上，类似计算分析，建议采用整体式之降温模拟方法。

二、建立预应力的模型在模拟预应力钢筋时，传统的方式是把预应力钢筋作为体积的边界，把混凝土体积分割开来，Glue后划分混凝土单元，边界就作为Link或Beam单元了。

普通钢筋可以用Solid65的分布钢筋模拟，其实常数数据很简单。

Solid65单元模拟精度很高，只要各材料参数取的正确就可以十分好地模拟混凝土构件加载到变形开裂破坏的全过程，与实验数据十分接近。

但是要注意混凝土的取值，弹性模量抗压强度不能取规范值，要用实验公式。

在模拟钢筋混凝土的时候，一般的建模做法是：先建立体，然后使用面去切割体，把体切割成几个部分，在各个部分之间有共用的边界线，把这些边界线定义成Link单元，这样就在体单元内建立于Link单元。

因为Link单元就在Solid体单元的边界线上，这样在网格划分的时候两种单元会产生共同的节点，也就可以共同工作了。

土和砼的模拟＊＊＊土弹簧的模拟Linkl0相当于用杆件提供约束，只不过此类单元可以设为只能受拉或只能受压。

如果混凝土与节点底板分离，单元将不起作用，否则Hnkl0单元要承受拉力。

如果用Linkl0的话，你可以把不与结构相联接的一端所有自由度都约束，与结构连接二端是否约束则看结构的具体情况，与Linkl0无关。

Linkl0单元只能提供轴向位移的约束，不可抗剪。

刚度可以这样算，KxA／L，不与结构连接的节点可取沿约束方向上的任意位置。