【正文】 192198204210216222223224225226227228229230231232最大值對應(yīng)的節(jié)點編號228230207207最大值 (3)運用APDL命令對橋梁模型受載后的總位移云圖進行顯示,總位移云圖如圖316。圖315 變形圖(2)運用APDL命令對橋梁模型受載后的節(jié)點總位移值進行顯示，幾個典型位置的節(jié)點的總位移值見表35。在此種工況下橋梁將產(chǎn)生最大撓度和最大應(yīng)力，結(jié)果如下所述。圖313 剪力圖(8)運用APDL命令對橋梁模型受載后的彎矩圖進行顯示，彎矩圖如圖314。圖311 節(jié)點總位移矢量圖(5)運用APDL命令對橋梁模型受載后的單元軸向力，剪力，彎矩定義單元表并列表顯示單元結(jié)果表，單元最大應(yīng)力如表34所示表34單元最大應(yīng)力I端軸向應(yīng)力J端軸向應(yīng)力I端剪應(yīng)力J端剪應(yīng)力I端彎曲應(yīng)力J端彎曲應(yīng)力單單元編號110110104104104100最最大值+12+12+10+10+14+13(6)運用APDL命令對橋梁模型受載后的軸力圖進行顯示，軸力圖如圖312。 圖39 變形圖(2) 運用APDL命令對橋梁模型受載后的節(jié)點總位移值進行顯示，最大值如表33所示表33節(jié)點位移最大值NODE223221132132VALUE (3)運用APDL命令對橋梁模型受載后的總位移云圖進行顯示,總位移云圖如圖310。圖38 施加列車搖擺力后的模型圖示恒載工況即鋼桁梁橋僅受重力作用，此時沒有列車荷載施加在橋梁上，此種工況下的結(jié)果如下所述。圖36 施加標(biāo)準(zhǔn)“中活載”等效荷載后的模型圖示(4) 運用APDL命令對橋梁模型施加列車制動力或牽引力，施加列車制動或牽引力后的模型圖示如圖37所示。圖34 施加約束后的模型圖示(2)運用APDL命令對橋梁模型施加重力，施加重力后的模型如圖35所示。并以此結(jié)果為依據(jù)進行優(yōu)化設(shè)計。圖33 施加重力后的模型圖示最不利工況下橋梁承受重力，列車標(biāo)準(zhǔn)“中活載”等效均布荷載，列車制動力或牽引力，列車搖擺力的作用，這些工況的組合作用將對橋梁產(chǎn)生最不利的影響，如產(chǎn)生最大應(yīng)力，最大撓度。(1)橋梁的約束一端為固定約束(妨取左端）另一端僅不限制X方向的移動自由度，運用APDL對橋梁模型施加約束,施加約束后的模型如圖32。表32梁式橋跨結(jié)構(gòu)豎向撓度容許值表橋跨結(jié)構(gòu)撓度容許值簡支鋼桁梁L/900連續(xù)鋼桁梁邊跨L/900中跨L/750簡支鋼板架L/900簡支鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁L/800連續(xù)鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁邊跨L/800中跨L/700對本橋為L/900=72/900=80 (2)在列車搖擺力等作用下，梁體的水平撓度應(yīng)小于或者等于梁體計算跨度的1/4000對本橋為72000/4000=18根據(jù)《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》和《橋梁用結(jié)構(gòu)鋼》選擇牌號為Q345q質(zhì)量等級為D的鋼材，并查得其許用應(yīng)力200MPa。其他荷載一般情況下對橋梁影響較小，在本論文中不予考慮。在本模型中作用點即分別為兩縱梁的中點。力的作用點分別為兩縱梁的中點。列車制動力或牽引力應(yīng)按列車豎向靜活載的10%計算。平均分配到兩根縱梁上則每根梁所受的均布荷載Km=列車豎向活載包括列車豎向動力作用，該列車豎向活載等于列車豎向靜活載乘以動力系數(shù)（1+μ）。在實際工作中，利用換算荷載表進行計算，“中活載”換算均布靜活載荷求解如下。普通活載代表一列火車的重量。鐵路列車豎向靜活載參考采用中華人民共和國鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載，即“中活載”。第三章 鋼桁梁橋有限元模型的加載和后處理 鋼桁梁橋受載情況分析根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》計算該鋼桁架橋的設(shè)計載荷，橋涵結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點，按表31所列的荷載，就其可能的最不利組合情況進行計算。根據(jù)單元類型手冊，Beam4單元是通過I節(jié)點J節(jié)點兩個節(jié)點來定義的，Shell63單元是通過I, J, K, L四個節(jié)點定義的，尤其注意在Shell63單元的建立時注意四個節(jié)點要按照順時針或逆時針的順序選擇，否則將會發(fā)生錯誤。 (4)建立單元。在創(chuàng)建節(jié)點時還要注意使用簡便方法如，節(jié)點填充命令。進而通過對橋各節(jié)點坐標(biāo)的分析計算在ANSYS中建立節(jié)點。 表23 桁架橋各桿件單元屬性構(gòu)件名稱單元類型單元編號材料號實常數(shù)號橫截面號端斜桿BEAM41111上下弦BEAM41122橫向連接梁BEAM41133腹桿BEAM41144橋面板SHELL632255 (3)建立節(jié)點。在給工字梁設(shè)置實常數(shù)時要注意應(yīng)該使用設(shè)計變量來表示出實常數(shù)的有關(guān)參數(shù)如截面面積，轉(zhuǎn)動慣量等，以便最后優(yōu)化設(shè)計的進行。首先，定義單元類型，如前所述，工字梁選用Beam4單元，橋面選用Shell63單元。(2)定義單元類型、材料、實常數(shù)和截面形狀。④忽略單元橋面板的垂度變化。②假設(shè)各節(jié)點滿足理想連續(xù)條件。 注：最后一列中給出的是將kgms 單位制中的數(shù)值轉(zhuǎn)換到gmms單位制時(在準(zhǔn)備輸入數(shù)據(jù)時) 所乘的因子。 L)Pa=Kg/(s2 1065密度M / L3Kg / m3Kgms數(shù)值 L / t2N=Kg 1033時間TsKgms數(shù)值表22 gmms單位制的物理量與Kgms單位制的換算因子[注]序號參數(shù)名公制單位（kgms單位）gmms單位制1長度LmKgms數(shù)值 L) g / (s2 L / t2 g 本論文采用gmms單位制，該單位制的物理量單位如表21所示。基本物理量的單位確定了所用的單位制，然后可根據(jù)相應(yīng)的公式得到各導(dǎo)出物理量的單位。所有物理量可分為基本物理量和導(dǎo)出物理量，在結(jié)構(gòu)和熱計算中的基本物理量有：質(zhì)量、長度、時間和溫度。由此可見，對于實際工程問題，我們不能按照手工計算時的習(xí)慣來選擇各物理量的單位，而是必須遵循一定的原則。比如，在結(jié)構(gòu)分析中分別用如下單位：長度– m；時間– s；質(zhì)量– kg；力 N；壓力、應(yīng)力、彈性模量等– Pa，此時單位是統(tǒng)一的。 ANSYS程序都不規(guī)定所使用的物理量的單位，不同問題可以使用不同的單位，只要在一個問題中各物理量的單位統(tǒng)一就可以。Shell63單元的幾何模型如圖22所示。應(yīng)力剛化和大變形能力已經(jīng)考慮在其中。SHELL63既具有彎曲能力又具有膜力，可以承受平面內(nèi)荷載和法向荷載。Beam4單元的幾何模型如圖21所示。可用于計算應(yīng)力硬化及大變形的問題。Beam4是一種可用于承受拉、壓、彎、扭的單軸受力單元。本模型中的鋼桁梁是一個由縱梁、橫梁、主桁、縱聯(lián)、橫聯(lián)等平面結(jié)構(gòu)組成的空間結(jié)構(gòu)，所有節(jié)點均為剛性或半剛性連接。(2)單元按階次分類①線性單元：對于結(jié)構(gòu)分析問題，單元內(nèi)的位移數(shù)值按線性變化，因而每個單元的應(yīng)力狀態(tài)是保持不變的；②二次單元：對于結(jié)構(gòu)分析問題，單元內(nèi)的位移數(shù)值按二次函數(shù)變化，因此每個單元內(nèi)的應(yīng)力狀態(tài)是線性變化的；③P 單元：對于結(jié)構(gòu)分析問題，單元內(nèi)的位移數(shù)值按二階到八階函數(shù)變化，而且具有求解收斂自動控制功能，自動確定各位置上應(yīng)采用的函數(shù)階數(shù)。針對本論文模型簡單和新手操作可能需要的實現(xiàn)對每個結(jié)點和單元的編號完全控制的問題，本論文采用直接法建模法，通過節(jié)點的有序建立，單元的分類有序建立，使用填充節(jié)點和復(fù)制單元等命令實現(xiàn)細化單元和模型的快速建立。
②對小型、簡單的模型有時比較繁瑣。
⑧便于修改和改進。
⑥可以進行自適應(yīng)網(wǎng)格劃分。
④支持布爾操作。
②需要人工處理的數(shù)據(jù)量小，效率高。在創(chuàng)建復(fù)雜實體模型時,對線、面、體、基元的布爾操作能減少相當(dāng)可觀的建模工作量。無論使用自頂向下還是自底向上方法建模,都能使用布爾運算來組合數(shù)據(jù)集,從而“塑造出”一個實體模型。利用這些高級圖元直接構(gòu)造幾何模型。ANSYS 程序提供了兩種方法:自頂向下與自底向上。
④容易出錯。
②不能使用自適應(yīng)網(wǎng)格劃分功能。
②可實現(xiàn)對每個結(jié)點和單元的編號完全控制。(1)直接建模法：直接創(chuàng)建節(jié)點和單元，模型中沒有實體。第二章 鋼桁梁橋有限元模型的建立ANSYS中的建模方法可以分為直接建模和幾何模型網(wǎng)格劃分建模兩種方法。首先，能夠熟練運用大型有限元分析軟件ANSYS。④在上述工作的基礎(chǔ)上進行進一步的優(yōu)化設(shè)計，對鋼桁梁橋的有關(guān)尺寸進行優(yōu)化⑤總結(jié)全文的研究工作，分析結(jié)果得出若干結(jié)論。③利用所建立的有限元模型，計算鋼桁梁橋在載荷作用下的變形及應(yīng)力。本文所做主要工作如下:①學(xué)習(xí)、掌握鐵路鋼桁梁橋的詳細構(gòu)造，了解鋼桁梁橋傳統(tǒng)靜力學(xué)分析方法的基本原理及現(xiàn)在常用的結(jié)構(gòu)分析方法。在成昆線成功的基礎(chǔ)上，1993年用國產(chǎn)的高強度鋼材15MnVNq厚板建成九江長江公鐵路大橋（Lp=214m）。20世紀(jì)60年代，為加快鐵路建設(shè)，在成昆鐵路修建中，系統(tǒng)地研究發(fā)展了栓焊鋼橋新技術(shù)，一舉建成各種不同結(jié)構(gòu)形式的栓焊鋼橋44座。1956年借用前蘇聯(lián)的鋼材和技術(shù)，建成了京廣鐵路武漢長江公鐵路大橋（Lp128m）。本國技術(shù)人員自行建造、具有代表性的鋼橋是1937年建成的浙贛鐵路公鐵路橋（）。但建國以前所建的鋼橋跨度都很小，建橋的鋼是進口的，結(jié)構(gòu)是鉚接的，采用的工藝很簡陋。20世紀(jì)初美國的懸索橋使橋梁的跨度增到1000米以上，20世紀(jì)80年代后，以法國為代表的歐洲各國開發(fā)了各種形式的鋼—混凝土復(fù)合橋梁，以德國為代表的鋼正交異性板結(jié)構(gòu)斜拉橋、以北美為代表的耐侯鋼橋，在亞洲，日本建成了世界上最大跨度的懸索橋和斜拉橋，中國、香港特區(qū)和東南亞等地也建成了許多大跨度鋼橋，使鋼橋技術(shù)水平步入了新的高度?，F(xiàn)代鋼橋工廠制造全部為焊接，工地拼接也是焊接為主，高強度螺栓連接為輔。近年來，隨著鋼材技術(shù)的進步，出現(xiàn)了高強鋼（TMCP）、控溫控軋鋼、高焊接性鋼、抗層狀撕裂鋼、變厚度鋼板、耐侯鋼、減振鋼板等，促進了鋼橋結(jié)構(gòu)形式的多樣化、合理化，并在更廣泛的范圍得以應(yīng)用。1779年英國建造了第一座鐵橋，經(jīng)過了100年，才由鑄鐵代替鐵，不久又由鋼取代了鍛鐵作為橋梁材料。另外，APDL也是ANSYS設(shè)計優(yōu)化的基礎(chǔ)，只有創(chuàng)建了參數(shù)化的分析流程才能對其中的設(shè)計參數(shù)執(zhí)行優(yōu)化改進，達到最優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。在參數(shù)化的分析過程中可以簡單地修改其中的參數(shù)達到反復(fù)分析各種尺寸、不同載荷大小的多種分析方案或者序列性產(chǎn)品，極大地提高分析效率，減少分析成本。ANSYS軟件的主要功能有以下幾種：①結(jié)構(gòu)分析②熱分析③流體動力學(xué)分析④電磁場分析⑤聲學(xué)分析⑥壓電分析⑦多耦合場分析⑧優(yōu)化設(shè)計⑨用戶編程擴展功能APDL是ANSYS Parametric Design Language 的縮寫，即ANSYS參數(shù)化設(shè)計語言，它是一種類似FORTRAN的解析性語言，提供一般程序語言的功能，如參數(shù)、宏、標(biāo)量、向量及矩陣運算、分支、循環(huán)、重復(fù)以及訪問ANSYS有限元數(shù)據(jù)庫等，另外還提供簡單界面定制功能，實現(xiàn)參數(shù)交互輸入、消息機制、界面驅(qū)動和運行應(yīng)用程序等。Ansys 軟件作為一個大型通用有限元分析軟件，能夠進行結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)等學(xué)科的研究，廣泛應(yīng)用于土木工程、地質(zhì)礦產(chǎn)、水利、鐵道、汽車交通、國防軍工、航天航空、船舶、機械制造、核工業(yè)、石油化工、輕工、電子、日用家電、生物醫(yī)學(xué)等一般工業(yè)及科學(xué)研究。先將各個單元剛度矩陣合成整體剛度矩陣，然后將各單元的等效節(jié)點力列陣集合成總的載荷列陣。利用幾何方程、本構(gòu)方程和變分原理最終得到單位剛度矩陣。通常采用多項式作為位移函數(shù)。為了能用節(jié)點位移表示單元體的位移、應(yīng)變和應(yīng)力，在分析連續(xù)體問題時，必須對單元中位移的分布作出一定的假設(shè)，即假定位移是坐標(biāo)的某種簡單的函數(shù)。結(jié)構(gòu)離散化時，劃分的單元大小和數(shù)目應(yīng)根據(jù)計算精度的要求和計算機的容量來決定。有限元法分析問題的基本步驟：①結(jié)構(gòu)的離散化。②適用性強，應(yīng)用廣泛，幾乎適用于求解所有的連續(xù)介質(zhì)和場問題。有限元法有許多優(yōu)點：①概念淺顯，容易掌握。如今有限單元法蓬勃發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴展到很多工程領(lǐng)域，成為連續(xù)介質(zhì)問題數(shù)值解法中最活躍的分支。門頭架支點橋面下聯(lián)結(jié)系主桁架上聯(lián)結(jié)系圖11 下承式簡支鋼桁梁橋簡圖有限元分析法是一種解決工程物理問題的數(shù)值分析方法，根據(jù)近似分割和能量極值原理，把求解區(qū)域離散為有限個單元的組合，研究每個單元的特性，組裝各單元，通過變分原理，把問題化成線性代數(shù)方程組求解。這種組成形式的計算特點是：橋跨結(jié)構(gòu)是由一些平面結(jié)構(gòu)組成。以上簡單介紹了沿用一百年之久的鐵路鋼桁梁橋的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成形式。⑤支座 支座為鋼支座。橋門架設(shè)在主桁端斜桿平面內(nèi)，中橫聯(lián)設(shè)在主桁豎桿平面內(nèi)。位于端部的稱為橋門架。其主要作用是承受作用于橋跨結(jié)構(gòu)的橫向水平荷載及減小弦桿在主桁平面外的自由長度。它們的作用是與主桁架一起，使橋跨結(jié)構(gòu)成為幾何體系穩(wěn)定的空間結(jié)構(gòu)，能承受各種橫向荷載。節(jié)間的長度一般也就是橫梁的間距及縱梁的距離。僅有豎桿與弦桿交匯的節(jié)點，受力及構(gòu)造比較簡