基于ANSYS的多跨连续梁分析

多跨连续梁的内力分析是结构力学中平面弯曲内力的重点和难点之一。文章利用ANSYS软件的结构静力分析功能来实现多跨连续梁的内力分析，基于此方法可用来解决其他梁桥的内力分析。

引言

多跨连续梁是由若干根梁用铰相联，并用若干支座与基础相联而组成的结构，在实际工程中应用广泛，故了解其内力特点，对分析其他结构的受力有着重要意义。多跨连续梁的内力图绘制是结构力学教学中的重点和难点之一，也是学习建筑结构、桥梁工程等专业的学生必须掌握的核心内容。人工绘制其内力图显然是比较困难的，而若用Fortran编程语言来绘制多跨连续梁的内力图不仅过程繁琐，而且学生不易理解，难于掌握。针对此，本文则是基于大型通用有限元分析软件ANSYS12.1来分析及探讨多跨连续梁的内力特点。

有限元法（FEM，即Finite Element Method）是采用计算机进行数值模拟计算的一种方法。ANSYS是国际通用的大型有限元结构分析软件，是迄今为止在世界范围内唯一通过ISO9001质量认证的计算机辅助工程（CAE）设计分析类软件。本文也将通过实例来验证ANSYS有限元分析法（FEM）的准确性。

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多跨连续梁内力分析的ANSYS方法

1.1  单元的选取

本文中的梁单元在ANSYS中可选取2D梁单元BEAM3、BEAM23等，及3D梁单元BEAM4、BEAM24、BEAM44、BEAM188、BEAM189等，而分析多跨连续梁的内力特点和绘制内力图选用BEAM3梁单元就能够满足其精确度的要求。

1.2  建模的过程

在ANSYS中进行多跨连续梁的内力分析一般需要经过如下步骤：首先根据问题选用合适的材料和相应的单元类型，并确定单元的实常数，然后对问题建立有限元模型、划分网格、施加应力边界条件和位移边界条件，随后求解并查看弯矩、剪力图。

1.3  内力图的绘制

在ANSYS中要绘制单元的内力图须先定义单元表，然后才可从单元表中提取内力图。而在BEAM3中“ETABLE,MI,SMISC,6”和“ETABLE,MJ, SMISC,12”是用来定义弯矩单元表的，“ETABLE,QI,SMISC,2”和“ETABLE,QJ,SMISC,8”则是用来定义剪力单元表的，然后在命令框中输入“PLLS,MI,MJ”和“PLLS,QI,QJ”分别绘制弯矩、剪力图。

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实例分析

2.1  带铰接点的三跨连续梁的内力分析

如图2.1-Ⅰ所示，某三跨连续梁同时受到集中力F1=4 kN，F2=10 kN以及均布荷载q=6 kN/m 的作用，画出其剪力图和弯矩图。

图2.1-Ⅰ

图2.1-Ⅱ 在ANSYS中建立的有限元模型

图2.1-Ⅲ  弯矩图（单位kN·m）

图2.1-Ⅳ 剪力图（单位kN）

表1   多跨连续梁弯矩、剪力值精确度比较

由上表可以看出ANSYS有限元分析方法（FEM）的精确度是很高的，可以用来分析工程中多跨连续梁的受力，并可指导其整个施工过程的受力情况。

2.2  不带铰接点的四跨连续梁的内力分析

如图2.2-ⅰ所示，某三跨连续梁同时受到集中力F1=30 kN，F2=10 kN，集中力偶M=6 kN·m以及均布荷载q=6 kN/m 的作用，画出其剪力图和弯矩图。

图2.2-ⅰ

图2.2-ⅱ  在ANSYS中建立的有限元模型

图2.2-ⅲ  弯矩图（单位kN·m）

图2.2-ⅳ  剪力图（单位kN）

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几点说明

3.1  铰接点的处理

在ANSYS中BEAM3梁单元之间的铰接是通过在铰接处同一位置建立2个关键点（KPT），并让这2个关键点分别属于两个相邻但不同的单元，然后通过Main Menu>Preprocessor>Coupling/Ceqn>Coincident Nodes来耦合自由度以模拟铰接。

3.2  弯矩、剪力图的方向

为了使所绘制出的弯矩、剪力图的方向与现行的结构力学教材中规定的方向一致（即弯矩以使梁的下侧纤维受拉者为正，剪力以绕隔离体顺时针方向转动者为正），则需要将“Fact  Optional  scale  factor”系数改为“-1”即可。

3.3  实例2.1与2.2的结果比较

比较实例2.1与2.2的弯矩图，即图2.1-Ⅲ和图2.2-ⅲ可得出：在铰接点处尽管受到F1=4 kN的集中力作用但是该点处的弯矩为零，即MB=0；而该点若受到集中力偶作用，则弯矩图在该点处会发生突变。

比较实例2.1与2.2的剪力图，即图2.1-Ⅳ和图2.2-ⅳ可得出：铰接点虽无弯矩但是存在剪力，而有集中力偶的位置不影响其剪力的分布。

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结束语

本文通过ANSYS对多跨连续梁进行受力分析，可以让我们更加清晰深刻地认识和掌握多跨连续梁的内力特点。在此基础上，我们不仅可以很快地绘制出单跨静定梁的内力图，而且还有利于我们在多跨连续梁桥施工过程中的内力分析，以便更好地进行施工控制，同时对其他类型的梁桥受力分析也有着一定的参考作用。