河南科技大学课程设计说明书课程名称力学软件应用题目考虑初始预应变的无背索斜拉桥自重状态下的变形及应力分析院系土木工程班级工力111学生姓名指导教师日期2017年09月18日目录第一章选题背景 (1)1.1无背索斜拉桥介绍及意义 (1)1.2 课程设计内容和要求 (1)1.3 建模目的及意义 (4)第二章建模与求解 (5)2.1 建模步骤 (5)2.2 划分网格 (10)2.3 设置约束 (10)2.4 加载并求解 (11)第三章结果分析 (13)3.1自重下该桥梁变形 (13)3.2 自重下该桥梁应变 (14)第四章结论与总结 (15)第一章选题背景1.1无背索斜拉桥介绍及意义斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。
其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。
其可使梁体内弯矩减小，降低建筑高度，减轻了结构重量，节省了材料。
斜拉桥主要由索塔、主梁、斜拉索组成。
中国至今已建成各种类型的斜拉桥100多座，其中有52座跨径大于200米。
20世纪80年代末，我国在总结加拿大安那西斯桥的经验基础上，1991年建成了上海南浦大桥（主跨为423米的结合梁斜拉桥），开创了中国修建400米以上大跨度斜拉桥的先河。
我国已成为拥有斜拉桥最多的国家。
1.2 课程设计内容和要求设计内容：利用ANSYS有限元分析软件对给定无背索斜拉桥进行应力和变形分析。
技术条件：无背索斜拉桥尺寸及计算参数见附件。
要求：建立有限元模型，简述建模过程主要方法，列出关键数据列表；计算在给定的约束条件下各数据点对应的位移和应力图，并对计算结果做出分析说明。
问题介绍如下：无背索斜拉桥的尺寸及计算参数如图所示无背索斜拉桥梁模型，利用这一模型完成指定结构分析。
图1 斜拉桥梁模型图2 正视图图3 侧视图图4 桥面梁分布某无背索斜拉桥，斜塔与桥面成60度角，桥面两侧各有8根拉索，拉索连接桥面纵向主梁和斜塔，如图2所示，从左至右第一根拉索连接点分别为距离左侧桥墩12m处，斜塔（十等分）从上至下第一个等分点，依次类推，拉索在桥面间隔6m，在斜塔间隔十等分长度。
桥墩底部固支。
各结构部件尺寸及材料参数如下表所示：结构部件 B (m) H (m) E (Mpa) ρ(kg/m3) ν拉索0.1 0.1 2.05×1057800 0.3桥墩 4.5 4.5 3.55×1042680 0.25斜塔 5 3.6 3.51×1042670 0.25斜塔梁 3 1.5 3.63×1042710 0.25桥面横梁 2.6 1 3.51×1042670 0.25纵向主梁 4 6 3.95×1042800 0.25图5 梁截面示意图试分析考虑初始预应变时，自重影响下这一结构的变形和应力情况。
1.3 建模目的及意义a)．巩固和加深对应用软件基础课程基本知识的理解和掌握；b)．从计算机软件、工程应用几个方面进一步理解有限元方法的实质；c)．掌握有限元分析的工具，并具备初步处理工程问题的能力；d)．提供一个自主建模分析的优良环境，以培养综合素质和创新能力。
第二章建模与求解2.1 建模步骤1.设置分析作业名和标题FINISH !结束前面的命令/clear,nostart !nostart新的ansys不重新读入/FILNAME,xielaqiao !给文件命名/units,si !设置为国际单位制/VIEW,0,-1,1,1 !设定视角/prep7 !进入前处理2.定义单元类型ET,1,BEAM4 !主塔、横梁、主梁采用beam4单元ET,2,LINK10 !拉索采用link10单元KEYOPT,2,3,0 !拉索只受拉,且松弛的索沿纵、垂向都具有一定的刚度3.定义实常数（设置单元厚度）R,1,20.25,34.17,34.17,4.5,4.5,$RMORE,,57.69,,,, !桥墩R,2,18.00,37.50,19.44,3.6,5,$RMORE,,43.53,,,, !斜塔R,3,4.50,3.38,0.84,1.5,3,$RMORE,,2.32,,,, !斜塔梁R,4,2.60,1.46,0.22,1,2.6,$RMORE,,0.66,,,, !主梁横梁R,5,24.00,32.00,72.00,6,4,$RMORE,,75.20,,,, !主梁纵梁拉索初面积与应变表2-1斜拉索拉力（KN）拉索面积（m2）弹性模量（MPa）拉索初应变700 0.01 2.05E+5 0.000341463650 0.01 2.05E+5 0.000317073600 0.01 2.05E+5 0.000292683550 0.01 2.05E+5 0.000268293500 0.01 2.05E+5 0.000243902450 0.01 2.05E+5 0.000219512400 0.01 2.05E+5 0.000195122350 0.01 2.05E+5 0.000170732由于没有拉索索力的确切数值，因此参考类似跨径斜拉桥虚拟一组拉索索力，从而计算出不同拉索的初应变，并施加到桥梁上。
R,101,0.01,0.000341463 !拉索面积和初应变R,102,0.01,0.000317073R,103,0.01,0.000292683R,104,0.01,0.000268293R,105,0.01,0.000243902R,106,0.01,0.000219512R,107,0.01,0.000195122R,108,0.01,0.0001707324.定义材料力学参数UIMP,1,EX,DENS,PRXY,2.05E+11 ,7800,0.3 !拉索UIMP,2,EX,DENS,PRXY,3.55E+10 ,2680,0.25 !桥墩UIMP,3,EX,DENS,PRXY,3.51E+10 ,2670,0.25 !斜塔UIMP,4,EX,DENS,PRXY,3.63E+10 ,2710,0.25 !斜塔梁UIMP,5,EX,DENS,PRXY,3.51E+10,2670,0.25 !桥面横梁UIMP,6,EX,DENS,PRXY,3.95E+10 ,2800,0.25 !纵向主梁5.创建几何模型和单元模型（1）创建关键点K,1,0,0,0 !主梁纵梁K,17,96,0,0kfill,1,17 !在关键点之间插入新的点K,18,100,0,0K,19,104,0,0K,20,110,0,0K,21,116,0,0K,22,122,0,0K,23,130,0,0K,24,105,8.6600,0 !斜塔梁K,25,108,13.856,0K,32,129,50.228,0kfill,25,32 !在关键点之间插入新的点K,33,132,55.424,0K,34,30,-26,0 !桥墩底部关键点K,35,100,-26,0kgen,2,1,35,1,,,30 !关键点复制，1到35号关键点复制2次，沿Z方向移动30（2）创建几何模型*DO,I,1,22 !纵向主梁L,I,I+1*ENDDO*DO,I,36,57L,I,I+1*ENDDO*DO,I,1,23 !桥面横梁L,I,I+35*ENDDOL,34,6 !桥墩L,35,18L,69,41L,70,53L,18,24 !斜塔*DO,I,24,32L,I,I+1*ENDDOL,53,59*DO,I,59,67L,I,I+1*ENDDOL,32,67 !斜塔梁*DO,I,8,15 !拉索L,I,-I+40*ENDDO*DO,I,43,50L,I,-I+110*ENDDO图2-1几何模型（3）赋予几何模型单元特性、材料属性和实常数*DO,I,1,44,1 !主梁纵梁 LSEL,S,,,ILATT,6,5,1lesize,all,,,2*ENDDOlsel,all*DO,I,45,67,1 !主梁横梁 LSEL,S,,,ILATT,5,4,1lesize,all,,,10*ENDDOlsel,all*DO,I,68,71,1 !桥墩LSEL,S,,,ILATT,2,1,1lesize,all,,,5*ENDDOlsel,all*DO,I,72,91,1 !斜塔LSEL,S,,,ILATT,3,2,1lesize,all,,,2*ENDDOlsel,allLSEL,S,,,92 !斜塔梁 LATT,4,3,1lesize,all,,,10lsel,all*DO,I,93,100,1 !拉索LSEL,S,,,ILATT,1,i+8,2*ENDDO*DO,I,101,108,2LSEL,S,,,ILATT,1,i,1*ENDDOALLSELNUMMRG,KP !合并节点2.2 划分网格ALLSELLESIZE,ALL,,,1 !指定线网格尺寸LMESH,ALL !对线划分网格2.3 设置约束(1)桥墩底部固结D,298,ALL,ALLD,303,ALL,ALLD,308,ALL,ALLD,313,ALL,ALL(2)对主梁施加约束*DO,I,91,99,1D,i,UXD,i,UY*ENDDOD,1,UXD,1,UYD,46,UXD,46,UY对斜拉桥主梁一侧竖向和纵向进行约束。
*DO,I,289,297,1D,i,UY*ENDDOD,44,UYD,89,UYALLSELACEL,,9.81 !自重SAVE !保存对斜拉桥主梁另一侧纵向进行约束。
模型边界条件如图2-3所示：图2-2单元模型边界条件2.4 加载并求解ANSYS软件提供了结构静态分析的方法：在已有模型的基础上设定静力分析的控制选项，从而得到模型的静力分析结果。
/soluantype,0NSUBST,10,20,10 !指定荷载步中所需要的子步数 PSTRES,1 !考虑预应力效应NLGEOM,off !忽略大变形效应NROPT,AUTO,, !指定NEWTON-RAPHSON选项EQSLV,Front,1e-004,0, !指定方程求解器,此处为直接波前法求解器P214KBC,0 !指定荷载为递增solvesavefinish第三章结果分析3.1自重下该桥梁变形该斜拉桥在考虑自重及初应变的情况下的变形情况如图3-1所示：图3-1自重作用下变形图图3-1自重作用下变形云图3.2 自重下该桥梁应变该斜拉桥在考虑自重及初应变的情况下的应力情况如图3-1所示：图3-1自重作用下应力云图第四章结论与总结本次课程设计对考虑初始预应变的无背索斜拉桥自重状态下的变形及应力进行了研究，利用ANSYS软件建立了考虑初始预应变的无背索斜拉桥有限元模型，得到在自重和初始预应变作用下无背索斜拉桥变形及应力。