桥梁结构分析的有限元原理及其程序简介

《桥梁结构分析的有限元原理及其程序简介》由会员分享，可在线阅读，更多相关《桥梁结构分析的有限元原理及其程序简介（80页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、桥梁软件开发及Midas应用桥梁软件开发及Midas应用 兰州交通大学土木学院兰州交通大学土木学院 蔺鹏臻蔺鹏臻 课程内容课程内容 桥梁结构分析的有限元原理及其程序设计简介桥梁结构分析的有限元原理及其程序设计简介 Midas/civil软件简介Midas/civil软件简介 预应力效应的计算原理及程序设计预应力效应的计算原理及程序设计 混凝土收缩、徐变效应的计算原理及程序设计混凝土收缩、徐变效应的计算原理及程序设计 温度效应分析及程序设计温度效应分析及程序设计 活载效应分析活载效应分析 等等 课程说明课程说明 桥梁计算理论的综合性课程桥梁计算理论的综合性课程 基础是：基础是：力学、有限元和桥梁

2、工程力学、有限元和桥梁工程 目标：目标：掌握桥梁结构主要力学问题的计算 原理及程序实现思路 掌握桥梁结构主要力学问题的计算 原理及程序实现思路 方法：方法：结合程序实现反思基本理论，达到 融会贯通 结合程序实现反思基本理论，达到 融会贯通 学习建议学习建议 有限元已成为土木工程结构辅助设计、分 析中必不可少的重要工具。 有限元已成为土木工程结构辅助设计、分 析中必不可少的重要工具。 有限元的理论基础是有限元的理论基础是力学知识力学知识。 有限元的应用基础是对结构力学性能的宏 观把握，是与操作者的专业知识密不可分 的。 有限元的应用基础是对结构力学性能的宏 观把握，是与操作者的专业知识密不可分

3、的。 盲目相信和依赖有限元软件是结构分析的 大忌。 盲目相信和依赖有限元软件是结构分析的 大忌。 参考书参考书 力学、有限元、桥梁工程等相关资料力学、有限元、桥梁工程等相关资料 蔺鹏臻桥梁结构有限元分析蔺鹏臻桥梁结构有限元分析 肖汝城桥梁结构分析程序系统肖汝城桥梁结构分析程序系统 第一章 桥梁结构分析的有限元 原理及其程序设计简介 第一章 桥梁结构分析的有限元 原理及其程序设计简介 本章内容本章内容 杆系结构有限元回顾杆系结构有限元回顾 桥梁结构有限元分析的特点桥梁结构有限元分析的特点 桥梁结构分析程序设计的关键点桥梁结构分析程序设计的关键点 1、杆系结构有限元基本原理1、杆系结构有限元基本原

4、理 杆系结构有限元基本原理在杆系结构有限元基本原理在“结构有限元结构有限元” 课程中进行了讲解；课程中进行了讲解； 杆系结构有限元程序设计的基本流程如下：杆系结构有限元程序设计的基本流程如下： 返回 启动 输入初始数据 组集结点荷载 组集结构总刚度矩阵 求解结点平衡方程组 计算单元内力，支反力 结束 P K KP 线性 静力 有限 元程 序框 图 杆系结构有限元法的主要步骤是：杆系结构有限元法的主要步骤是： 1. 结构离散化1. 结构离散化 划分单元，对结点和单元予以编号划分单元，对结点和单元予以编号。 2. 结构描述2. 结构描述 选定整体坐标系。输入确定结构几何、材料、 荷载和支承条件的全

5、部数据。主要是：结点坐标、 单元信息、荷载信息、约束信息以及有关的控制 变量。 选定整体坐标系。输入确定结构几何、材料、 荷载和支承条件的全部数据。主要是：结点坐标、 单元信息、荷载信息、约束信息以及有关的控制 变量。 3. 单元特性计算3. 单元特性计算 根据各单元两端结点号码和结点坐标以及有关 信息，算出： （1）局部坐标系下的单元刚度矩阵、由单 元跨间荷载引起的单元等效结点荷载以及由温 度变化引起的等效结点荷载 根据各单元两端结点号码和结点坐标以及有关 信息，算出： （1）局部坐标系下的单元刚度矩阵、由单 元跨间荷载引起的单元等效结点荷载以及由温 度变化引起的等效结点荷载。 e E K

6、e q P e T P （2）整体坐标系下的单元特性（2）整体坐标系下的单元特性 = = = e T Te T e q Te q e E Te PRP PRP RKRK R其中为坐标变换矩阵。其中为坐标变换矩阵。 4. 组集结构总刚度矩阵4. 组集结构总刚度矩阵 把所有单元膨胀后的整体坐标系下的单元刚度 矩阵叠加起来,就得到结构刚度矩阵,即 把所有单元膨胀后的整体坐标系下的单元刚度 矩阵叠加起来,就得到结构刚度矩阵,即 K = = NE e e 1 KK 根据给定的支承约束条件，把分割为：根据给定的支承约束条件，把分割为：K r f rrrf frff rf KK KK 其中对应为独立结点位移

7、列矢量， 即受有刚性支承约束的位移列矢量。 其中对应为独立结点位移列矢量， 即受有刚性支承约束的位移列矢量。 ff K f 0= r P5. 组集结点荷载总矢量5. 组集结点荷载总矢量 Tqc PPPP+= 其中其中 = = NE e e qq 1 PP = = NE e e TT 1 PP 是给定的直接作用在结点上的外荷载。是给定的直接作用在结点上的外荷载。 c P 根据约束根据约束,把也分割为和把也分割为和,它们分别对应 于和 它们分别对应 于和。 f r f P r PP 6. 求解结点静力平衡方程组6. 求解结点静力平衡方程组 解方程组解方程组 ffff PK= 算出全部未知结点位移。

8、算出全部未知结点位移。 f 7. 计算杆端内力7. 计算杆端内力 设 号单元两端结点号为。它们在整体坐 标系下的位移记为 设 号单元两端结点号为。它们在整体坐 标系下的位移记为 ji、e = j i e 号单元结点力即杆端内力为号单元结点力即杆端内力为e e E e E e E KF = 因因 ee E R = 故故 ee E e E RKF = 其中为坐标变换矩阵。其中为坐标变换矩阵。 R 若号单元内还作用有跨间荷载以及给定的温 度分布，它们在局部坐标系下的单元等效结点荷载 分别记为和，则 若号单元内还作用有跨间荷载以及给定的温 度分布，它们在局部坐标系下的单元等效结点荷载 分别记为和，则

9、e e q P e T P e t e q ee E e E PPRF= 以上即杆系结构有限元法的基本计算过程。以上即杆系结构有限元法的基本计算过程。 1.2 有限元软件简介1.2 有限元软件简介 ?通用有限元软件通用有限元软件 ?专业有限元软件专业有限元软件 1.2 有限元软件简介1.2 有限元软件简介 ?通用有限元软件通用有限元软件 目前大型通用有限元软件主要有：目前大型通用有限元软件主要有： ANSYSANSYS-美国SWANASON公司研发。-美国SWANASON公司研发。 ABAQUSABAQUS提供用户材料和单元，可开发。提供用户材料和单元，可开发。 SAP2000SAP2000美

10、国计算机公司和结构公司CSI研发。美国计算机公司和结构公司CSI研发。 MARCMARC高度非线性、耦合场分析。高度非线性、耦合场分析。 ADINAADINA麻省理工研发，材料库丰富，可处理各种材料非 线性。 麻省理工研发，材料库丰富，可处理各种材料非 线性。 NASTRANNASTRAN美国宇航局研发，可读出试验测试数据以对比 分析。 美国宇航局研发，可读出试验测试数据以对比 分析。 1.2有限元软件简介1.2有限元软件简介 ?专业有限元软件专业有限元软件 ? 专业软件的界定专业软件的界定 ? 桥梁专业软件紧密结合桥梁设计分析需要，不仅可分析桥 梁施工过程中的性能，并能实现对桥梁结构特有的预

11、应力、 混凝土收缩徐变、活载效应、拉索初张力及调索、预应力 布束及优化、预拱度设置等。主要解决桥梁工程设计、分 析中的共性问题。 桥梁专业软件紧密结合桥梁设计分析需要，不仅可分析桥 梁施工过程中的性能，并能实现对桥梁结构特有的预应力、 混凝土收缩徐变、活载效应、拉索初张力及调索、预应力 布束及优化、预拱度设置等。主要解决桥梁工程设计、分 析中的共性问题。 ? 与通用有限元比较，他以在有限元原理及方法的基础上， 以解决桥梁工程的特殊问题为出发点 与通用有限元比较，他以在有限元原理及方法的基础上， 以解决桥梁工程的特殊问题为出发点 1.2有限元软件简介1.2有限元软件简介 ?专业有限元软件专业有限

12、元软件 ? 与通用有限元的区别与通用有限元的区别 在有限元原理及方法的基础上，以解决桥梁工程的特殊问 题为出发点； 在有限元原理及方法的基础上，以解决桥梁工程的特殊问 题为出发点； 注重成熟理论的应用，一般主要面向桥梁工程实践工作， 研发性差； 注重成熟理论的应用，一般主要面向桥梁工程实践工作， 研发性差； 注重与现有规范、标准的结合；注重与现有规范、标准的结合； 注重减小软件使用者在建模、后处理中的工作量；注重减小软件使用者在建模、后处理中的工作量； 注重与CAD、办公软件（office）等的数据传递；注重与CAD、办公软件（office）等的数据传递； 1.2有限元软件简介1.2有限元软件

13、简介 ? 与通用有限元的区别与通用有限元的区别 ANSYS 前处理前处理 单元、材料、边界、荷载单元、材料、边界、荷载 求解求解 静力、动力、稳定等静力、动力、稳定等 后处理后处理 显示、列表、时程等显示、列表、时程等 MIDAS/CIVIL 前处理前处理 单元、材料、边界、荷载、施工过程、 预应力、收缩徐变等 单元、材料、边界、荷载、施工过程、 预应力、收缩徐变等 求解求解 静力、动力、稳定等静力、动力、稳定等 后处理后处理 显示、列表、时程等显示、列表、时程等 设计验算设计验算 基于规范的荷载组合、 设计验算 基于规范的荷载组合、 设计验算 1.2有限元软件简介1.2有限元软件简介 发展趋

14、势发展趋势 相互渗透相互渗透 互为借鉴互为借鉴 随着计算机技术的发展会合二为一的。随着计算机技术的发展会合二为一的。 关键是通用有限元软件为了满足更多分析的功能，面向专 业过多而无法满足过多专业需求； 关键是通用有限元软件为了满足更多分析的功能，面向专 业过多而无法满足过多专业需求； 通用有限元软件向专业软件成功过渡sap2000中的桥梁 模块. 通用有限元软件向专业软件成功过渡sap2000中的桥梁 模块. 1.2有限元软件简介1.2有限元软件简介 专业软件专业软件 国外国外 MIDAS/CIVIL韩国MIDAS/CIVIL韩国 SAP2000美国SAP2000美国 LUSAS Bridge

15、英国LUSAS Bridge英国 TDV奥地利TDV奥地利 等等 大同小异，在通用有限元基础上，实现桥梁的特殊分析、 以及结构验算。 大同小异，在通用有限元基础上，实现桥梁的特殊分析、 以及结构验算。 1.2有限元软件简介1.2有限元软件简介 专业软件专业软件 国内国内 桥梁博士Dr.Bridge-同济桥梁博士Dr.Bridge-同济 BSAS西南BSAS西南 JQJS交规院JQJS交规院 3Dbridge-大桥局3Dbridge-大桥局 等等 主要缺点是多为平面有限元软件，主要以静力分析为主。主要缺点是多为平面有限元软件，主要以静力分析为主。 2、桥梁结构分析的特殊性2、桥梁结构分析的特殊性 桥梁结构分析的荷载桥梁结构分析的荷载 桥梁结构分析的施工过程及体系转换桥梁结构分析的施工过程及体系转换 桥梁结构分析中的特殊问题桥梁结构分析中的特殊问题 2.1 桥梁结构分析的荷载2.1 桥梁结构分析的荷载 桥梁结构分析中，由于其结构的特殊性， 有一些荷载需要重点关注： 桥梁结构分析中，由于其结构的特殊性， 有一些荷载需要重点关注： ? 预应力效应预应力效应 ? 混凝土收缩、徐变效应混凝土收缩、徐变效应 ? 温度效应温度效应 ? 汽车、火车、人群荷载汽车、火车、人群荷载 ? 基础沉降基础沉降 2.2 2.2 桥梁结构分析的施