ANSYS大跨度桥梁高等有限元分析与工程实例

《ANSYS大跨度桥梁高等有限元分析与工程实例》是ANSYS软件在大跨度桥梁中高级应用的实例教材，涵盖了大跨度桥梁高等结构分析理论、基于ANSYS的大跨度桥梁有限元建模、求解、应用等多个方面；是作者十多年来利用ANSYS开展大跨度桥梁相关研究工作的总结。《ANSYS大跨度桥梁高等有限元分析与工程实例》共计8章，分别以润扬大桥、苏通大桥、南京长江大桥、茅草街大桥等著名大桥为工程背景，系统地讲解了大跨度桥梁的建模方法与技巧、模型修正与验证、地震响应分析、抖振响应分析、减振控制、子模型实现技术以及二次开发应用实例。
《ANSYS大跨度桥梁高等有限元分析与工程实例》可供桥梁工程、结构工程、防灾减灾与防护工程等领域的广大科技工作者及工程师使用，也可供上述专业领域的高年级本科生、硕士和博士研究生学习参考。

前言
第1章 绪论
1.1 有限单元法概述
1.1.1 有限单元法的发展现状
1.1.2 有限单元法的分析过程
1.1.3 有限元分析软件
1.2 ANSYS软件简介
1.2.1 ANSYS发展历程
1.2.2 ANSYS软件的基本功能
1.2.2.1 完备的前处理模块
1.2.2.2 强大的分析求解模块
1.2.2.3 方便的后处理模块P0sTl和P0sT26
1.3 ANSYS在大跨桥梁工程中的应用
参考文献

第2章 基于ANSYS的大跨度桥梁有限元建模
2.1 大跨度桥梁ANSYS建模常用单元
2.1.1 杆单元
2.1.2 梁单元
2.1.3 大跨度桥梁有限元模型的简化
2.2 基于ANSYS的大跨度CFST拱桥有限元模拟
2.2.1 茅草街大桥简介
2.2.2 基本设计参数
2.2.3 约束与连接的简化处理
2.2.4 茅草街大桥ANSYS建模
2.3 基于ANSYS的大跨度钢桁梁桥有限元模拟
2.3.1 南京长江大桥简介
2.3.2 基本设计参数
2.3.3 约束与连接的简化处理
2.3.4 南京长江大桥南京联主桁ANSYS建模
2.4 基于ANSYS的大跨度斜拉桥有限元模拟
2.4.1 苏通大桥简介
2.4.2 基本设计参数
2.4.3 约束与连接的简化处理
2.4.4 苏通大桥ANSYS建模
2.5 基于ANSYS的大跨度悬索桥有限元模拟
2.5.1 地锚式悬索桥建模
2.5.1.1 润扬悬索桥简介
2.5.1.2 基本设计参数
2.5.1.3 约束与连接的简化处理
2.5.1.4 润扬悬索桥ANSYS建模
2.5.2 自锚式悬索桥建模
2.5.2.1 南京江心洲大桥简介
2.5.2.2 基本设计参数
2.5.2.3 约束与连接的简化处理
2.5.2.4 南京江心洲大桥ANSYs建模
2.6 本章小结
参考文献

第3章 基于sHMS的大跨度悬索桥有限元模型修正与验证
3.1 结构有限元模型修正
3.1.1 参数型修正的灵敏度分析
3.1.2 优化算法
3.1.2.1 一阶优化算法
3.1.2.2 零阶优化算法
3.1.3 一种模型修正方法
3.2 基于.ANSYS的大跨度悬索桥体系动力特性研究
3.2.1 基于ANsYs的悬索桥模态分析方法
3.2.2 大跨度悬索桥动力特性分析
3.3 润扬悬索桥成桥试验
3.3.1 环境随机振动测试
3.3.2 钢箱梁应力测试
3.3.2.1 荷载工况
3.3.2.2 应力测点布置
3.3.3 关键截面位移测试
3.4 基于ANSYS的润扬悬索桥有限元模型修正
3.4.1 桥塔结构的有限元模型修正
3.4.2 全桥结构的有限元模型修正
3.4.2.1 优化变量的确定
3.4.2.2 优化计算及结果分析
3.5 润扬悬索桥有限元模型验证
3.5.1 关键位移验证
3.5.2 钢箱梁应力验证
3.6 本章小结
参考文献

第4章 基于ANSYS的大跨度桥梁地震反应分析
4.1 桥梁结构地震反应分析基本理论
4.1.1 静力法
4.1.2 反应谱法
4.1.2.1 反应谱分析基本理论
4.1.2.2 规范反应谱
4.1.2.3 反应谱组合方法
4.1.3 动力时程分析法
4.1.3.1 地震作用下桥梁结构的运动方程
4.1.3.2 Newmark毋积分法
4.2 反应谱分析及其在ANSYS中的实现
4.2.1 基于ANsYS的反应谱分析简介
4.2.2 茅草街大桥的反应谱抗震分析
4.2.2.1 地震动参数的确定
4.2.2.2 茅草街大桥模态分析
4.2.2.3 茅草街大桥反应谱分析
4.2.2.4 反应谱结果分析
4.3 地震时程分析及其在ANSYS中的实现
4.3.1 基于ANSYs的地震时程分析简介
4.3.2 茅草街大桥的地震时程分析
4.3.2.1 地震波的确定
4.3.2.2 一致激励下的时程分析
4.3.2.3 考虑行波效应的时程分析
4.3.2.4 多点激振下的时程分析
4.3.2.5 时程结果分析
4.4 本章小结
参考文献

第5章 基于ANSYs的大跨度桥梁抖振响应时域分析
5.1 桥梁风荷载
5.1.1 静力风荷载
5.1.2 抖振力荷载
5.1.3 自激力荷载
5.2 气动自激力的有限元模拟
5.3 基于APDL的桥梁抖振时域分析程序实现
5.4 大跨度桥梁风致抖振分析
5.4.1 桥址区三维脉动风场模拟
5.4.1.1 主梁风速模拟
5.4.1.2 主塔风速模拟
5.4.2 构件截面气动系数和气动导数
5.4.2.1 气动系数
5.4.2.2 气动导数
5.4.3 桥梁抖振程序实现
5.4.4 润扬悬索桥振动监测子系统
5.4.4.1 主梁振动监测
5.4.4.2 缆索振动监测
5.4.5 计算与实测结果的对比验证
5.4.5.1 主梁加速度RMS响应计算与实测结果的对比分析
5.4.5.2 主梁计算与实测加速度响应的频谱对比分析
5.4.5.3 缆索加速度RMS响应计算与实测结果的对比分析
5.4.5.4 缆索计算与实测加速度响应的频谱对比分析
5.5 本章小节
参考文献

第6章 基于ANSYS的大跨度桥梁减振控制
6.1 结构振动控制基本概念
6.2 阻尼器及其有限元模拟
6.2.1 阻尼器简介
6.2.1.1 调谐质量阻尼器
6.2.1.2 多重调谐质量阻尼器
6.2.1.3 软钢阻尼器
6.2.1.4 黏滞流体阻尼器
6.2.2 阻尼器的有限元模拟
6.2.2.1 TMD及M‘FMD
6.2.2.2 软钢阻尼器
6.2.2.3 黏滞流体阻尼器
6.3 基于ANSYS的大跨度桥梁减振控制研究
6.3.1 大跨钢桁架桥车致振动控制
6.3.1.1 大跨钢桁架桥车致振动时域分析
6.3.1.2 TMD的布置及其在ANSYS中的实现
6.3.1.3 减振前后主梁跨中振动响应对比分析
6.3.2 大跨悬索桥地震响应控制
6.3.2.1 地震动输入
6.3.2.2 阻尼器布置
6.3.2.3 线性黏滞流体阻尼器在ANSYS中实现
6.3.2.4 阻尼器参数敏感性分析
6.3.3 大跨斜拉桥风致抖振控制
6.3.3.1 MTMD的布置方案
6.3.3.2 MTMD在A。NSYS中的实现
6.3.3.3 减振前后主梁跨中振动响应对比分析
6.3.4 自锚式悬索桥地震响应控制
6.3.4.1 弹塑性软钢阻尼器及其性能的模拟
6.3.4.2 地震波输入
6.3.4.3 弹塑性阻尼器在ANSYS中的实现
6.3.4.4 阻尼器减振效果分析
6.4 本章小结
参考文献

第7章 基于ANSYS的大跨度桥梁精细应力分析
7.1 基于ANSYS的子模型分析步骤
7.2 基于ANSYS的大跨悬索桥钢箱梁精细应力分析
7.2.1 基于ANsYs的整体有限元计算模型
7.2.2 基于ANsYs的钢箱梁节段精细子模型建立
7.2.3 大跨悬索桥钢箱梁精细应力分析及实测验证
7.2.3.1 钢箱梁顶板正应力对比
7.2.3.2 钢箱梁顶板u形肋下缘正应力对比
7.2.3.3 钢箱梁底板正应力对比
7.3 基于ANSYS的大跨度悬索桥刚性中央扣精细应力分析
7.3.1 大跨度悬索桥刚性中央扣简介
7.3.2 基于ANsYS的刚性中央扣精细子模型建立
7.3.3 大跨悬索桥刚性中央扣精细应力分析及实测验证
7.4 本章小结
参考文献

第8章 ANSYS二次开发及其颤振分析实例
8.1 ANSYS二次开发工具
8.1.1 参数化设计语言（APDL）
8.1.1.1 APDL参数化建模基础
8.1.1.2 APDL通用分析程序
8.1.2 可编程特性（uPFs）
8.1.2.1 UPFs的功能
8.1.2.2 UPFs的使用
8.1.2.3 UPFs使用建议
8.1.3 用户界面设计语言（UIDL）
8.1.4 Tcl／Tk语言
8.2 基于UPFs的桥梁颤振频域分析
8.2.1 用UPFs开发基于M-S法的桥梁颤振分析核心程序
8.2.2 基于UIDL的用户界面开发
8.2.2.1 菜单程序界面
8.2.2.2 子菜单Fnc-Flu-indt的功能
8.2.3 基于UPFs的颤振频域分析算例
8.2.3.1 简支理想平板结构
8.2.3.2 具有流线型箱梁主梁断面的虎门悬索桥
8.3 基于APDL的桥梁颤振时程分析
8.3.1 颤振时程分析基础理论
8.3.2 颤振时程分析实现过程
8.3.3 基于APDL的颤振时程分析算例
8.4 本章小结
参考文献

《ANSYS大跨度桥梁高等有限元分析与工程实例》：
（1）分别采用当前设计与前一设计时，目标函数的变化值小于目标函数的容许误差T。
（2）分别采用当前设计与最佳合理设计时，目标函数的变化值小于目标函数的容许误差T。
（3）分别采用当前设计与前一设计时，所有设计变量的变化值小于各自容许误差T。
（4）分别采用当前设计与最佳合理设计时，所有设计变量的变化值小于各自容许误差T。
从上可以看出，前两个收敛条件与一阶方法完全相同，但多出了两个条件。以上分析表明，收敛并不代表实际的最小值已经得到了，只表明迭代过程满足了以上4个准则之一。因此，需对优化结果进行再分析，如有必要还需另做附加优化分析。
如果零阶方法生成了许多不合理的设计序列，说明状态变量的近似不能良好地反映状态变量的实际情况，在这种情况下，有如下三种处理方法：①增加连续不合理设计次数的允许值，然后用附加的零阶方法分析；②在连续的逼近过程中不断选择最佳设计，以得到更好的曲线拟合；③在状态变量的逼近时选择交叉项。
3.1.3一种模型修正方法
已有研究表明，现有的各种模型修正方法都存在其针对性，大都采用单一动力或静力数据进行修正，导致所得修正结果有不同程度的片面性。例如，仅仅基于实测模态进行模型修正，这样修正后的模型有可能出现这种情况：静力响应的理论值与实测值吻合程度未能得到改善，甚至某些响应值吻合程度比初始模型更差。大跨度悬索桥结构模型修正中，由于影响因素众多而复杂，更加易于出现上述不良情况。为此，本章利用结构动力特性的有限元分析及实测结果，基于上述特征值灵敏度分析以及优化算法原理，提出了一种结构有限元模型修正的新思路。该法以结构设计参数为待修正参数，以自振特性为目标函数，以静力响应为校核函数。其中设计参数的上下限根据测试所得静力响应值和理论值的对比以及工程经验来确定，以使得修正后的模型能够较好地全面反映结构的整体动静力性能。
修正程序的流程图见图3.1。
采用APDL编写了图3-1所示结构有限元模型修正相应程序，在应用该程序进行优化的过程中应注意以下事项：
（1）全部分析过程，也就是从图中的“开始”至“结束”，包括建立分析模型、设定设计变量、设定状态变量、定义目标函数以及提取优化结果等，都必须使用参数设计语言APDL，尽量避免交互式图形用户界面GUl的使用。
（2）由于选择过多的设计变量（包括结构的物理参数和几何参数等），将会使得目标函数收敛于局部最小值的可能性增加，在分析高度非线性问题时甚至可能会引起不收敛，同时会增大迭代次数，使得耗时增多，因此应当尽量减少设计变量的数目。
……