公路２００９年７月第７期
ＨＩＧＨＷＡＹ
Ｊｕｌ．２００９
Ｎｏ．７
文章编号：０４５１—０７１２（２００９）０７－－０１５９－－０３中圈分类号：Ｕ４４３．３２１文献标识码：Ｂ
基于ＡＮＳＹＳ的梁结构有限元分析
王中要，郭秀文
（河南省新开元路桥工程咨询有限公司
郑州市４５００１６）
摘要：在桥梁结构中，固支梁结构是最常用的结构。利用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳｌＯ．０对固支梁受集中载荷工况时进行有限元分析，通过分析比较在横截面积相同的情况下，不同宽高比矩形截面与工字形截面梁的变形及应力变化情况，通过比较得出在截面积相同的情况下，宽高比决定了梁的刚度和强度，同时得出工字形截面梁比矩形截面粱的强度和刚度更好。此研究为优化桥梁设计，节省工程材料提供方法和参考．
关ｔ词：桥梁；梁结构｝有限元分析；结构；应力
梁结构是工程上一种较为常用的结构，尤其在道路桥梁、建筑设计中更是常见［１］。随着材料科学和桥梁施工工艺的发展，现代桥梁结构向大跨径、轻型化和柔性化方向发展，这就对桥梁的结
／，
忱
Ｉ
，Ｉ
￡
构设计提出了更高的要求，需要对桥梁结构的各种力学性能进行计算与分析，如静力特性、强度、刚度与变形等【２］。随着计算机技术和计算方法的发展，用数值分析的方法进行此类问题的计算，可以节省大量的时间１＂３，４３。目前最为有效的数值方法是有限元法［５］。ＡＮＳＹＳ是大型通用有限元软件，被广泛地应用于房屋、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程，它具有强大的前后处理及计算分析能力Ｃ６，７３。
文中运用ＡＮＳＹＳｌＯ．０对固支梁受集中载荷工况时进行有限元分析，得到了固支梁在受到集中载荷时，梁的变形情况及应力分布。在分析过程中，比较相同截面面积，不同截面形状的梁在受到相同载荷时的强度和刚度变化。在对梁结构设计的过程中，如何在满足使用要求的情况下，使得梁的体积最小、材料最省和最有重要的经济意义。
ｈ／ｍｍ
圈ｌ同支梁工况示意
在分析过程中，比较矩形截面梁与工字形截面梁受集中力作用下的变形量。其中矩形截面梁的截面尺寸由宽高比决定，工字形截面梁的几何形状如图２所示，具体参数见表１。
卜－
圈２工字形梁截面几何形状
裹ｌ
工字形截面粱截面几何参数
ｄ／ｍｍ
５
ｂ／ｍｍ６５
截面积／ｒａｍ２
１２２５
１有限元模型１．１分析工况
分析模型中悬臂梁两端固支，梁中间受竖向集中载荷作用，其示意图如图１所示，集中截荷大小为
５００
１２５
１．２有限元模型
在此次分析过程中，单元类型选用ｓｏｌｉｄ４５实体单元。ｓｏｌｉｄ４５单元用于构造三维实体结构，单
Ｎ，梁长度为２ｍ。梁的截面积为１
２２５
１２１１２１２。
收稿日期：２００９－－０５－－０８
一１６０一
元通过８个节点来定义，每个节点有３个沿着Ｘ、ｙ、Ｚ方向平移的自由度。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，适合此次
分析。
对于材料模型，梁单元采用线弹性结构材料模型，其模型参数见表２。
表２梁的材料参数
密度／（ｇ／ｃｍ
３）
弹性模量，一ＧＰａ
泊松比
７．８３
２１０
０．３
２
有限元分析及结果讨论
２．１矩形截面梁有限元分析
此次分析，矩形截面梁的宽为４０ｍｍ，高为
３０．６２５
ｍｍ，即宽高约比为４：３。
有限元网格的大小直接影响了计算结果的精度。从理论上来说，网格划分得越密，越符合实际，计算精度越高，结果越可靠。但是网格划分过密，不可避免地增加了运算量，增加了运算时间。为了综合考虑计算精度和计算时间，在分析时，在梁的的横截面划分为４８个单元，长度方向划分为１００个单元。分析模型中共有４８００个单元，节点数为６
３６３
个。图３为梁端面的网格图，图４为有限元离散后梁的局部放大图。
圈３梁端面网格
２．１．１梁的变形分析
在梁的中间施加５００Ｎ的集中载荷后，梁的变形过程及最终变形情况如图５所示。
由分析结果可以看出，施加集中力后，梁开始发生缓慢变形，集中力处开始向下凸，随着时间变化，变形从中间向两端传递。当分析终了时，梁竖直方
２００９年第７期
圈４梁有限元网格局部
图Ｓ梁变形分析结果
向上的变形量从中间向两端递减，最大变形量出现在中间集中载荷处，最大变形为９．２９９ｍｍ。
图６显示了集中力作用过程后，梁的Ｘ方向（长度方向）应力情况。图６（ａ）为轴侧图，图６（ｂ）为
由图６中可以看出，Ｘ方向上最大拉应力出现在梁的上表面的梁端和下表面的中间。Ｘ方向上最大压应力出现在梁的上表面的中间集中载荷处和下表面的梁端。这与假设情况相符，即在变形过程中，梁的中性面以上受压，中性面以下受拉。由分析为１８６
ＭＰａ。
２．１．２梁的应力分析
俯视图，图６（ｃ）为仰视图。
得到的最大拉应力和最大压应力的绝对值均
２００９年第７期王中要郭秀文：基于ＡＮＳＹＳ的粱结构有限元分析
一１６１一
田７工字形截面粱模型
圈６粟中Ｘ方向应力圈
２．１．３
矩形截面形状对变形及应力影响
圈８工字形截面粱有限元网格
当梁的横截面积不变，而宽高比改变时，梁的变形过程及应力传播过程相似。只是梁竖直方向的最大变形量及应力不同。不同宽高比时所得到的分析结果见表３。
裹３不同宽膏比时分析结果
克高比
４
ｌ
宽度
ｍｍ
４０３５３０．２６５
高度
ｍｍ
３０．６２５
３５４０
截面积
ｍｍ２
１１１２２５
最大变形量Ｘ方向最大
Ⅱｍ
９．２９９６．３３３４．２４９
应力／ＭＰａ
１８６１４６１１２
３１４
１
３
ｌ
２２５
２２５
ｌ
由表３中对比结果可以得出，缩小宽高比，可以使梁在竖直方向上具有更好的刚度及强度。但是在优化过程中，也应该结合工程实际，考虑梁的侧向刚度和强度，选取最优比例。２．２工字形截面梁有限元分析
图７是工字形截面梁的模型，图８是划分网格后的模型。长度方向划分为１００份。此模型一共４８００个单元，节点９８９８个。
工字形截面梁在受到中间集中载荷后，变形情况与矩形截面粱相似，只是分析结果有差异。工字形截面梁在受集中载荷作用后的有限元分析结果，如图９所示。
由分析结果可知。粱的变形呈反拱形，与实际情况符合。其竖直方向的变形位移量从两端向中间线性递增，在梁中间集中力处得到最大值。与矩形截面粱相比，工字形截面梁的竖直方向上的变形量更小，只有０．０７７
８
田９工字形截面受力变形
ｆｉｌｍ，沿长度方向上的应力更
小，最大拉应力出现在底面中间，大小为６．０６ＭＰａ。
最大压应力出现在上表面施加集中载荷处，大小为
１０．５
ＭＰａ。
公路２００９年７月第７期ＨＩＧＨＷＡＹ
Ｊｕｌ．２００９
Ｎｏ．７
文章编号：０４５１－－０７１２（２００９）０７－－０１６２－－０６中图分类号：Ｕ４４５．７１
文献标识码：Ａ
美国桥梁病害及倒塌事故统计分析与思考
曹明旭１，刘
（１．江苏省交通科学研究院
南京市
钊２，孟杰２
２１００１７１２．东南大学土木工程学院南京市２１００９６）
擅薹：当前美国的桥梁工程已由建设高峰期转入以维修加固为主的时期，对截止到２００６年美国在役桥梁与病
害桥梁的统计数据进行了分析，并对自１８７５年以来美国桥梁倒塌的相关资料进行了统计．并阐述了美国针对旧桥病害及倒塌事故的对策与措施。最后，结合美国的经验教训与工程对策，对我国桥梁建设与养护工作提出了几点建议。
关键词：美国桥梁；病害桥梁；倒塌桥梁Ｉ养护管理；维修加固
在役桥梁病害与事故的调查分析，对桥梁养护管理、维修加固和新桥建设均具有十分重要的借鉴意义。根据美国联邦公路局（ＦＨＷＡ）全国桥梁数据库公布的统计数据…，截止到２００６年，美国桥梁建造总数为５９６８０８座，病害桥梁总数为１５３
７００６００５００
座，约占２５．８％。根据该数据库的基本统计数据，可绘制美国桥梁总量与病害桥梁总量的累计发展曲线，如图１所示，图中横坐标以每５年期为基本统计单位，纵坐标为每５年期内的桥梁总数。
８７９
簟４００鼙３００
２００ｌｏｏ
年份／年
圈ｌ
１９０５年～２００６年间美国桥梁ｔ设数量与病害桥梁数■曩计曲线
基金项目：江苏省交通科学研究计划项目（０５Ｙ５４）收稿日期：２００９—０５—３０
３结语
Ｉ竺Ｉ］马宏，康琦．两种数值计算方法在桥梁结构计算上的应用［Ｊ］．山西建筑，２００８，（２４）：３０９—３１０．
通过文中分析结果，可以得出结论：线弹性固支梁在受到梁中间集中载荷的作用时，当载荷相同，梁截面积相同的情况下，工字形截面梁比矩形截面梁具有更高的刚度及抵抗变形的能力。而对于矩形截面梁，缩小宽高比，可以提高梁在竖直方向上的强度和剐度。
叩］口］
Ｉ！ｌ］
阿肯江托呼提．亓国庆．基于＾ＮＳＹｓ的木梁有限元静力弹塑性分析［Ｊ］．世界地震工程，２００７，２３（３）：１５２—１５７．吴炜，翁洋．吕建鸣．用ＡＮＳＹＳ对Ｔ粱和空心板粱桥进行结构仿真分析的研究［Ｊ］．公路交通科技，２００４，
（６）：６９—７２．
李黎明．ＡＮＳＹＳ有限元分析实用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．
参考文献：
［１］曾寿金，江吉彬．高诚辉．基于ＡＮＳＹＳ分析的悬臂粱
结构优化设计ｉ－Ｊ３．机电技术，２００６．（４）：２０一２２．［２］魏兴俭，王明鹏，赵秋雨．浅谈桥梁工程的材料改性发
展ＥＪ］．中国建材科技，２００５，（３）：３７—３８．
凹］口］
范齐，樊俊才．实用有限元法［Ｍ］．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社．１９９３．
刘鸿文．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．
公路２００９年７月第７期
ＨＩＧＨＷＡＹ
Ｊｕｌ．２００９
Ｎｏ．７
文章编号：０４５１—０７１２（２００９）０７－－０１５９－－０３中圈分类号：Ｕ４４３．３２１文献标识码：Ｂ
基于ＡＮＳＹＳ的梁结构有限元分析
王中要，郭秀文
（河南省新开元路桥工程咨询有限公司
郑州市４５００１６）
摘要：在桥梁结构中，固支梁结构是最常用的结构。利用大型有限元分析软件ＡＮＳＹＳｌＯ．０对固支梁受集中载荷工况时进行有限元分析，通过分析比较在横截面积相同的情况下，不同宽高比矩形截面与工字形截面梁的变形及应力变化情况，通过比较得出在截面积相同的情况下，宽高比决定了梁的刚度和强度，同时得出工字形截面梁比矩形截面粱的强度和刚度更好。此研究为优化桥梁设计，节省工程材料提供方法和参考．
关ｔ词：桥梁；梁结构｝有限元分析；结构；应力
梁结构是工程上一种较为常用的结构，尤其在道路桥梁、建筑设计中更是常见［１］。随着材料科学和桥梁施工工艺的发展，现代桥梁结构向大跨径、轻型化和柔性化方向发展，这就对桥梁的结
／，
忱
Ｉ
，Ｉ
￡
构设计提出了更高的要求，需要对桥梁结构的各种力学性能进行计算与分析，如静力特性、强度、刚度与变形等【２］。随着计算机技术和计算方法的发展，用数值分析的方法进行此类问题的计算，可以节省大量的时间１＂３，４３。目前最为有效的数值方法是有限元法［５］。ＡＮＳＹＳ是大型通用有限元软件，被广泛地应用于房屋、桥梁、大坝、隧道以及地下建筑物等工程，它具有强大的前后处理及计算分析能力Ｃ６，７３。
文中运用ＡＮＳＹＳｌＯ．０对固支梁受集中载荷工况时进行有限元分析，得到了固支梁在受到集中载荷时，梁的变形情况及应力分布。在分析过程中，比较相同截面面积，不同截面形状的梁在受到相同载荷时的强度和刚度变化。在对梁结构设计的过程中，如何在满足使用要求的情况下，使得梁的体积最小、材料最省和最有重要的经济意义。
ｈ／ｍｍ
圈ｌ同支梁工况示意
在分析过程中，比较矩形截面梁与工字形截面梁受集中力作用下的变形量。其中矩形截面梁的截面尺寸由宽高比决定，工字形截面梁的几何形状如图２所示，具体参数见表１。
卜－
圈２工字形梁截面几何形状
裹ｌ
工字形截面粱截面几何参数
ｄ／ｍｍ
５
ｂ／ｍｍ６５
截面积／ｒａｍ２
１２２５
１有限元模型１．１分析工况
分析模型中悬臂梁两端固支，梁中间受竖向集中载荷作用，其示意图如图１所示，集中截荷大小为
５００
１２５
１．２有限元模型
在此次分析过程中，单元类型选用ｓｏｌｉｄ４５实体单元。ｓｏｌｉｄ４５单元用于构造三维实体结构，单
Ｎ，梁长度为２ｍ。梁的截面积为１
２２５
１２１１２１２。
收稿日期：２００９－－０５－－０８
一１６０一
元通过８个节点来定义，每个节点有３个沿着Ｘ、ｙ、Ｚ方向平移的自由度。此单元具有塑性、蠕变、膨胀、应力强化、大变形和大应变能力，适合此次
分析。
对于材料模型，梁单元采用线弹性结构材料模型，其模型参数见表２。
表２梁的材料参数
密度／（ｇ／ｃｍ
３）
弹性模量，一ＧＰａ
泊松比
７．８３
２１０
０．３
２
有限元分析及结果讨论
２．１矩形截面梁有限元分析
此次分析，矩形截面梁的宽为４０ｍｍ，高为
３０．６２５
ｍｍ，即宽高约比为４：３。
有限元网格的大小直接影响了计算结果的精度。从理论上来说，网格划分得越密，越符合实际，计算精度越高，结果越可靠。但是网格划分过密，不可避免地增加了运算量，增加了运算时间。为了综合考虑计算精度和计算时间，在分析时，在梁的的横截面划分为４８个单元，长度方向划分为１００个单元。分析模型中共有４８００个单元，节点数为６
３６３
个。图３为梁端面的网格图，图４为有限元离散后梁的局部放大图。
圈３梁端面网格
２．１．１梁的变形分析
在梁的中间施加５００Ｎ的集中载荷后，梁的变形过程及最终变形情况如图５所示。
由分析结果可以看出，施加集中力后，梁开始发生缓慢变形，集中力处开始向下凸，随着时间变化，变形从中间向两端传递。当分析终了时，梁竖直方
２００９年第７期
圈４梁有限元网格局部
图Ｓ梁变形分析结果
向上的变形量从中间向两端递减，最大变形量出现在中间集中载荷处，最大变形为９．２９９ｍｍ。
图６显示了集中力作用过程后，梁的Ｘ方向（长度方向）应力情况。图６（ａ）为轴侧图，图６（ｂ）为
由图６中可以看出，Ｘ方向上最大拉应力出现在梁的上表面的梁端和下表面的中间。Ｘ方向上最大压应力出现在梁的上表面的中间集中载荷处和下表面的梁端。这与假设情况相符，即在变形过程中，梁的中性面以上受压，中性面以下受拉。由分析为１８６
ＭＰａ。
２．１．２梁的应力分析
俯视图，图６（ｃ）为仰视图。
得到的最大拉应力和最大压应力的绝对值均
２００９年第７期王中要郭秀文：基于ＡＮＳＹＳ的粱结构有限元分析
一１６１一
田７工字形截面粱模型
圈６粟中Ｘ方向应力圈
２．１．３
矩形截面形状对变形及应力影响
圈８工字形截面粱有限元网格
当梁的横截面积不变，而宽高比改变时，梁的变形过程及应力传播过程相似。只是梁竖直方向的最大变形量及应力不同。不同宽高比时所得到的分析结果见表３。
裹３不同宽膏比时分析结果
克高比
４
ｌ
宽度
ｍｍ
４０３５３０．２６５
高度
ｍｍ
３０．６２５
３５４０
截面积
ｍｍ２
１１１２２５
最大变形量Ｘ方向最大
Ⅱｍ
９．２９９６．３３３４．２４９
应力／ＭＰａ
１８６１４６１１２
３１４
１
３
ｌ
２２５
２２５
ｌ
由表３中对比结果可以得出，缩小宽高比，可以使梁在竖直方向上具有更好的刚度及强度。但是在优化过程中，也应该结合工程实际，考虑梁的侧向刚度和强度，选取最优比例。２．２工字形截面梁有限元分析
图７是工字形截面梁的模型，图８是划分网格后的模型。长度方向划分为１００份。此模型一共４８００个单元，节点９８９８个。
工字形截面梁在受到中间集中载荷后，变形情况与矩形截面粱相似，只是分析结果有差异。工字形截面梁在受集中载荷作用后的有限元分析结果，如图９所示。
由分析结果可知。粱的变形呈反拱形，与实际情况符合。其竖直方向的变形位移量从两端向中间线性递增，在梁中间集中力处得到最大值。与矩形截面粱相比，工字形截面梁的竖直方向上的变形量更小，只有０．０７７
８
田９工字形截面受力变形
ｆｉｌｍ，沿长度方向上的应力更
小，最大拉应力出现在底面中间，大小为６．０６ＭＰａ。
最大压应力出现在上表面施加集中载荷处，大小为
１０．５
ＭＰａ。
公路２００９年７月第７期ＨＩＧＨＷＡＹ
Ｊｕｌ．２００９
Ｎｏ．７
文章编号：０４５１－－０７１２（２００９）０７－－０１６２－－０６中图分类号：Ｕ４４５．７１
文献标识码：Ａ
美国桥梁病害及倒塌事故统计分析与思考
曹明旭１，刘
（１．江苏省交通科学研究院
南京市
钊２，孟杰２
２１００１７１２．东南大学土木工程学院南京市２１００９６）
擅薹：当前美国的桥梁工程已由建设高峰期转入以维修加固为主的时期，对截止到２００６年美国在役桥梁与病
害桥梁的统计数据进行了分析，并对自１８７５年以来美国桥梁倒塌的相关资料进行了统计．并阐述了美国针对旧桥病害及倒塌事故的对策与措施。最后，结合美国的经验教训与工程对策，对我国桥梁建设与养护工作提出了几点建议。
关键词：美国桥梁；病害桥梁；倒塌桥梁Ｉ养护管理；维修加固
在役桥梁病害与事故的调查分析，对桥梁养护管理、维修加固和新桥建设均具有十分重要的借鉴意义。根据美国联邦公路局（ＦＨＷＡ）全国桥梁数据库公布的统计数据…，截止到２００６年，美国桥梁建造总数为５９６８０８座，病害桥梁总数为１５３
７００６００５００
座，约占２５．８％。根据该数据库的基本统计数据，可绘制美国桥梁总量与病害桥梁总量的累计发展曲线，如图１所示，图中横坐标以每５年期为基本统计单位，纵坐标为每５年期内的桥梁总数。
８７９
簟４００鼙３００
２００ｌｏｏ
年份／年
圈ｌ
１９０５年～２００６年间美国桥梁ｔ设数量与病害桥梁数■曩计曲线
基金项目：江苏省交通科学研究计划项目（０５Ｙ５４）收稿日期：２００９—０５—３０
３结语
Ｉ竺Ｉ］马宏，康琦．两种数值计算方法在桥梁结构计算上的应用［Ｊ］．山西建筑，２００８，（２４）：３０９—３１０．
通过文中分析结果，可以得出结论：线弹性固支梁在受到梁中间集中载荷的作用时，当载荷相同，梁截面积相同的情况下，工字形截面梁比矩形截面梁具有更高的刚度及抵抗变形的能力。而对于矩形截面梁，缩小宽高比，可以提高梁在竖直方向上的强度和剐度。
叩］口］
Ｉ！ｌ］
阿肯江托呼提．亓国庆．基于＾ＮＳＹｓ的木梁有限元静力弹塑性分析［Ｊ］．世界地震工程，２００７，２３（３）：１５２—１５７．吴炜，翁洋．吕建鸣．用ＡＮＳＹＳ对Ｔ粱和空心板粱桥进行结构仿真分析的研究［Ｊ］．公路交通科技，２００４，
（６）：６９—７２．
李黎明．ＡＮＳＹＳ有限元分析实用教程［Ｍ］．北京：清华大学出版社，２００５．
参考文献：
［１］曾寿金，江吉彬．高诚辉．基于ＡＮＳＹＳ分析的悬臂粱
结构优化设计ｉ－Ｊ３．机电技术，２００６．（４）：２０一２２．［２］魏兴俭，王明鹏，赵秋雨．浅谈桥梁工程的材料改性发
展ＥＪ］．中国建材科技，２００５，（３）：３７—３８．
凹］口］
范齐，樊俊才．实用有限元法［Ｍ］．哈尔滨：黑龙江科学技术出版社．１９９３．
刘鸿文．材料力学［Ｍ］．北京：高等教育出版社，２００４．