18-B.1               简介

除本手册“桥梁与土木非线性（第一部分）”章节中所述的 CivilFEM 梁非线性及演化计算功能外，桥梁与土木非线性模块还包括一系列专门开发的实用工具，用于简化并增强使用 ANSYS+CivilFEM 进行桥梁分析与设计的能力。

基本思路是根据横截面的几何定义以及平面和立面线形，生成所需计算的结构。

基于这一目标，该模块集成了以下工具：

·         典型横截面生成工具。

·         平面和立面线形生成工具。定义构成一条假想线的里程点，该假想线构成道路的轴线。根据横截面和线形的定义，程序生成完整模型。

·         有限元模型自动生成。可以选择使用实体单元、板单元或梁单元生成模型。

·         移动荷载生成器。定义待遵循的轨迹后，程序会根据车辆类型自动计算生成的荷载。该工具可以区分刚性车辆（卡车）和适应轨迹的车辆（铁路车辆）。

·         活荷载生成。

·         预应力施加工具。预应力荷载以单节点荷载的形式施加到模型中单元的节点上。为定义缆索作用，在沿预应力筋线形的特定点处输入预应力，程序会计算缆索穿过的每个单元节点处的等效力系。

·         用于组合结构计算过程中生成的所有荷载状态的功能（交通荷载、活荷载、预应力、风荷载等）。

下面将说明 CivilFEM 执行计算的方式以及支持的单元类型。

18-B.2               单元类型

CivilFEM 支持用于桥梁计算的单元类型如下：

3D实体	SOLID45, SOLID95, SURF154
Placas	SHELL43, SHELL63, SHELL93
梁	BEAM44

荷载生成支持的单元如下：

3D实体模型	SURF154
板模型	SURF154
梁模型	BEAM3, BEAM4, BEAM44, BEAM54

 

 

18-B.3               计算过程

使用 CivilFEM 进行桥梁计算时，按照以下步骤执行：

1.    几何定义。

1.    横截面定义

2.    桥梁线形定义（立面和平面）

2.    实体模型生成。

3.    有限元模型生成。

4.    荷载生成：定义和/或分配荷载族。

5.           简单荷载状态计算（组合计算之前）。

6.    荷载组合计算。

7.    结构配筋。

 

如果希望独立生成有限元模型（不使用桥梁工具），可以这样做， 其流程将从第 4 步开始。

 

18-B.4               横截面

桥梁模块包含一个 桥梁典型横截面库，其中涵盖板式截面的各种 几何形式（命令 ~BRSSLAB) 和箱式截面（命令 ~BRSBOX).

1.     

18-B.4.1    空心板式截面

18-B.4.1.1             类型

·         矩形（RS）

这是所有类型中最简单的一种，通过其 尺寸 B（宽度）和 DEPTH（总高）定义。

·         梯形（TS）

通过其尺寸 BBOT（底部 宽度）、BTOP（顶部宽度）、DEPTH（总高）和 TTOP（顶部 厚度）定义。

·         带悬臂的梯形（TF）

其定义需要六个参数：

BBOT（底部宽度）、BM（中部宽度）、BTOP（顶部宽度）、 DEPTH（总高）、TBOT（底部厚度）和 TTOP（顶部厚度）。

·         带两个折点的对称多边形（PS）

其定义需要八个参数：BBOT（底部 宽度）、BM1 和 BM2（中部宽度）、BTOP（顶部宽度）、DEPTH（ 总高）、TBOT（底部厚度）、TM（中部厚度）和 TTOP（顶部厚度）。

·         带两个折点的非对称多边形（PA）

这是最一般的情况，需要两组与对称多边形中所述数据类似的数据， 分别对应截面的左侧区域和右侧区域。

该截面需要一条任意的参考轴，用于 测量左侧和右侧的尺寸。在该轴与顶边的交点处设置截面的坐标轴。该轴应布置为与顶部和底部基准线相交， 以便将所有标注的距离作为正值输入。

不同类型的截面及其 相应的几何特征如下面的 图所示：

 

图 19.4-1 板式截面类型

18-B.4.1.2             直线轮廓

截面轮廓的侧边线为直线。

18-B.4.1.3             减重孔

截面还可以设置 圆形减重孔，其位置由孔中心的位置及半径 R 定义。 横截面可以沿结构长度方向变化，但 减重孔的数量必须始终相同（参见命令 ~BRHL 用于定义减重孔）。

18-B.4.1.4             截面坐标轴

每个截面均关联一个坐标轴系 Oyz，其原点位于顶部基准线的中点，Oz 轴 与其平行（截面对称时）；截面不对称时，原点位于该轴与顶边的交点处。

图 19.4-2 截面坐标轴

18-B.4.2    箱式截面

18-B.4.2.1             类型

箱梁桥截面基于初始基本定义（参见命令 构建~BRSBOX） 以及对其几何形状的连续修改（参见命令 ~BRSMDF).

该过程可实现多种类型和尺寸。

图 19.4-3 箱梁截面

18-B.4.2.2             截面轴

每个截面均关联一个坐标轴系 Oyz，其原点位于顶板底面（不考虑横坡），Oz 轴与其平行。如果截面具有偶数个 箱室，该坐标系位于中央腹板上；如果为奇数个，则位于中央箱室的中心。

18-B.4.3    角度单位

CivilFEM 桥梁模块支持通常使用的三种角度 测量系统（六十进制度、弧度和百分度）。使用的单位通过 命令 ~BRANG。输出数据始终采用所选系统。

 

18-B.5               桥梁线形定义

用于 生成桥梁线形的过程如下：

-       定义表示行车道板轴线的 里程点

-       定义平面线形和纵断面线形

18-B.5.1    里程点（MP）的定义

里程点是空间中的点，一条构成桥梁轴线的 假想线经过这些点，并通过将截面“支承”在该线上来定义结构。里程点的定义 通过命令 ~BRINIP.

18-B.5.2    平面线形区段定义

为了在空间中完整定义结构轴线， 必须定义在平面和纵断面中连接这些点的区段。

从平面上看，里程点线是一系列区段， 可定义为直线段、圆弧或回旋线弧。

18-B.5.2.1        回旋线的参数方程

根据弧长半径 (s) 和曲率半径 (r），可推导出 以下关系式：

在本例中，s 与 r 之间的关系由方程确定

取 s₀ = 0（回旋线的 对称中心），可验证

 

因此

这些表达式以 Fresnel 积分的形式给出了 回旋线的参数方程。

18-B.5.2.2       线形定义参数的计算 平面线形

根据在命令中输入的数据 ~BRADDPL （用于定义平面线形的命令）通过以下公式可得到该段的特性：

情况 I：直线段

如果为直线段，则该段终点 MP 的坐标为

其中

情况 II：圆弧

如果为圆弧，则参数根据下图确定：

 

图 19.5-1 圆弧参数

情况 III：回旋线

如果为回旋线，则参数根据所附图确定：

图 19.5-2 回旋线参数

18-B.5.3    竖曲线段的定义

在线形纵面中，里程点线可定义为由直线段或抛物线段组成的连续线段。命令 ~BRADDEL 必须用于定义纵面线形。

计算纵面抛物线段的参数时，以如下图所示的图形为基础。

输入的抛物线轴线为竖直轴，符号约定如图所示。

令

 

 

其中 L 为竖曲线长度（两端点 kP 之间距离的水平投影），可得到以下关系式

 

图 19.5-3 纵面线形参数

18-B.5.4    线形数据的获取

可获取桥梁轴线在给定里程点处的主要属性信息，例如该点坐标、平面和纵面线段类型、平面角和竖向角、曲率等。通过命令 ~BRIQR.

18-B.5.5    绘制行车道面轴线（里程点线）

定义完成后，可使用命令 绘制已定义的里程点线 ~BRSKTCH.

该命令在每两条生成的线之间创建一个关键点，并在平面和纵面中曲线类型发生变化的位置创建关键点。

这些线和关键点将被加入名为 BROUTE 的“assembly”中。该“assembly”随后可用于程序中移动荷载和超载的自动生成（见第 19.8-1 和 19.8-2 节）。“assembly”由以下组件组成：

BROUTEK - keypoints

BROUTEL - 线

 

18-B.6               实体模型和有限元模型的生成

该功能可根据待使用的不同横截面类型及其位置、“offsets”、是否存在超高等定义，生成结构的完整几何模型，以及由实体单元、板单元或梁单元组成的有限元模型。

18-B.6.1    属性的定义与分配

为正确生成结构实体模型和有限元模型，必须定义相关属性，具体如下所述（另见命令 ~BRDEF):

18-B.6.1.1       横截面编号

将分配给各个点的横截面编号构成预先定义的桥梁轴线的里程点（MP’s）。横截面可以沿结构长度方向变化。

18-B.6.1.2       “偏移量”

定义里程点线与截面平面交点的位置（Y_偏移量, Z_偏移量），相对于该截面的坐标系。

18-B.6.1.3       超高（“Bank”）

存在超高时，定义截面坐标系 Oz 轴与水平线所成的角度，如图 19.6-1 所示。

图 19.6-1 “偏移量”和超高的定义

18-B.6.1.4       定义斜交角（斜交截面）

可定义截面相对于道路轴线的斜交角。定义截面坐标系 Ox 轴与桥梁轴线所成的角度（默认采用垂直于桥梁轴线的截面）。该角度绕里程点线与截面的交点确定。对于梁模型，不考虑斜交角。

18-B.6.1.5       指示空心截面或实心截面

可从指定里程点开始，将截面指定为空心截面或实心截面。截面可以定义为空心截面，但程序提供了在结构的特定位置（例如支座处）将其视为实心截面的功能。

如前所述，横截面可以沿桥梁长度方向变化，但空腔数量必须始终相同。因此，如果要考虑结构中同时存在空心截面和实心截面的情况，则必须在属性指定命令中进行指示 ~BRDEF.

图 19.6-2 截面实心化

对于箱梁桥，不考虑此选项。

18-B.6.2    模型生成

18-B.6.2.1       内部 分隔

完成上一节所述属性的定义后，开始生成桥梁实体模型和有限元模型。

为了获得板桥的横向非预应力钢筋，必须按照图 19.6-3 所示，将横截面划分为若干分区：

该划分按照以下标准自动执行：

1. 在每两个空腔之间设置一道分隔线。
2. 在最外侧空腔与截面边缘之间至少设置一道分隔线。
3. 对于 TF、PS 和 PA 类型的截面，在轮廓侧边的每个坡度变化点设置一道分隔线，前提是这些分隔线不与空腔相交。
4. 分隔线数量较多的跨端部截面将决定另一端部截面的分隔线。

图 19.6-3 板截面分区划分

分隔线按照从截面左侧到右侧的顺序编号标识，并可使用命令移动~BRMVDL. 程序将检查移动后的分隔线是否与空腔相交或超出截面范围。

18-B.6.2.2       支座位置 板桥

支座始终应布置在截面的竖向分割线上（见图19.6-3）。应使用命令 ~BRBC ，指定支座所在截面竖向分割线的编号。 此命令 会在属于指定竖直线的“keypoint”处自动创建一个支座，并根据结构的全局 Z 轴约束其运动（UZ=0）。

此外，如有需要，还可以使用 ANSYS 的相应命令（DK 和 D 命令）定义或修改支座。

梁模型不考虑此选项。

18-B.6.2.3       模型 生成

模型的实际生成通过命令 ~BRGEN完成。此命令提供五种 建模选项：

选项 I- 仅创建实体模型

在这种情况下，必须使用 ANSYS 的必要命令进行网格划分。

如果选择此选项，之后又希望使用程序自动生成移动荷载和超载的功能，则必须创建包含行车面板节点和单元的组件，以便随后用于荷载生成。

选项 II- 创建实体模型并对第一截面划分网格

选项 III- 创建实体模型和完整的有限元模型

选择此选项时，该命令将生成实体模型和有限元模型。此外，还会创建包含行车面节点和 SURF154 单元的‘assembly’ BDECK；选择此选项时，这些单元会在该 assembly 上自动创建。该‘assembly’可用于生成移动荷载和超载（见第19.8节）。

除上述内容外，此命令还会创建以下 组件：

 

节点
CF_BR_DECK_NODE	行车面 节点。
CF_BR_SECS_NODE_##	某截面在该截面 局部坐标轴（##）中的节点.
单元
CF_BR_DECK_SURF	SURF154 单元 行车面的。
CF_BR_SECS_ELEM_##	某截面在该截面 局部坐标轴（##）中的单元.
面
CF_BR_DECK_AREA	面 行车面的。
体
CF_BR_SECS_VOLU_##	位于坐标系 后方的体 截面局部坐标系（##）.
CF_BR_HOLES_VOLU	减重孔洞 的体。
ASSEMBLY
BDECK	用于施加荷载的行车面节点和 表面单元由以下组件组成：CF_BR_DECK_NODE 和 CF_BR_DECK_SURF

## 是在每个截面中创建的 局部坐标系编号。

 

只有对模型进行网格划分时，才会创建节点和单元组件。

选项 IV- 创建实体模型和采用板单元的完整有限元模型

选择此选项时，该命令将生成实体模型和有限元模型。此外，还会创建包含行车面节点和 SURF154 单元的‘assembly’ BDECK；选择此选项时，这些单元会在该 assembly 上自动创建。该‘assembly’可用于生成移动荷载和超载（见第19.8节）。

除上述内容外，此命令还会创建以下 组件：

 

节点
CF_BR_DECK_NODE	行车面 节点。
CF_BR_SECS_NODE_##	截面局部坐标轴中的节点 (##).
单元
CF_BR_DECK_SURF	SURF154 单元 行车面的。
CF_BR_SECS_ELEM_##	截面局部坐标轴中的截面单元 (##).
面积
CF_BR_DECK_AREA	面积 行车面的。
CF_BR_SECS_AREA_##	截面局部坐标轴中的截面面积 (##).
ASSEMBLY
BDECK	行车面上用于施加荷载的节点和表面单元由以下部分组成：CF_BR_DECK_NODE 和 CF_BR_DECK_SURF

## 是在每个截面中创建的局部坐标轴系统编号。

 

此模型仅可在以下情况下生成 当截面为箱形截面时.

 

选项 V- 创建实体模型和采用梁单元 BEAM44 的有限元模型

程序创建梁模型，同时创建所需的横截面以及梁和板的属性。

                          

单元
CF_BR_ELEM	梁 单元。
节点
CF_BR_NODE	模型 节点。
ASSEMBLY
BDECK	行车面上用于施加荷载的节点和单元由以下部分组成： CF_BR_NODE 和 CF_BR_ELEM。

 

图 19.6-4 模型生成

 

18-B.7               作用定义结构

在桥梁分析过程中，会生成大量荷载状态，随后必须根据适用规范的规定对其进行组合。CivilFEM 提供了组合模块，具备完成此项工作的充分功能。

但是，鉴于需要处理的荷载状态数量很大，本模块引入了荷载族的概念，下面将对此进行介绍；同时还提供了一些功能和命令，用于简化这项工作。

在开始创建荷载之前，必须先定义支承条件，以便 CivilFEM 生成荷载时创建的‘load states’包含这些条件。

18-B.7.1    荷载族定义

可以定义荷载族，随后用于构建荷载组合。

一个荷载族是一组荷载状态，通常属于同一类型。例如，车辆荷载就是一个荷载族，它由将车辆布置在所有可能位置时创建的全部荷载组成。

构成一个荷载族的所有这些荷载状态，将根据其性质组合为一个荷载状态（适当选择组合参数：有利和不利系数，以及要相加的荷载状态数量）。组合后的荷载族还可以在后续组合中作为其他组合的起始状态（“start states”）再次参与组合。

荷载族中荷载状态的共同性质必须允许所有初始荷载状态采用相同的有利和不利组合系数；否则，每个荷载工况都将构成不同的荷载族。

定义荷载族的命令是 ~BLFDF. 通过此命令，可以定义要分配给荷载族的编号、有利和不利组合系数，以及为获得该荷载族而应采用的组合类型。根据所选组合类型，还必须指定要考虑的荷载状态数量 (NADD)。将荷载族归并为单个荷载状态时所采用的组合类型，与组合模块中的类型相同（有关各类组合的详细说明，请参见本手册第 6 章）：

 

(s) 程序给定的值

(u) 用户选择的值

最一般的情况是最后一种（采用可变系数选择），其他情况均为特殊情况。

最常见的情况包括：

 

一条车道上只有一辆重型车辆。 这属于不相容或独占类型。

同一车道中的多辆重型车辆，属于选择类型。NADD = 同一车道中可能存在的车辆数量。

超载：可以施加于整个 表面或其一部分。这属于兼容型。NADD = 所有预定值。

风：系数 1、-1 和 NADD = 所有预定值。只能从两个可能的荷载状态中选择一个。这属于可选型。

地震：系数 1、-1 和 NADD = 所有预定值。只能从两个可能的荷载状态中选择一个。这属于可选型。

预应力荷载：系数 1、 1 和 NADD = 所有预定值。这属于附加型。

 

图 19.7-1 族的定义

18-B.7.2    将用户荷载分配给族

CivilFEM 定义的荷载（交通荷载、移动荷载和预应力荷载）在生成时会自动分配给各族（这是荷载生成命令的一个字段）。

但是，对于用户定义的其他荷载，例如风荷载、雪荷载、地震荷载等，也可以将其分配给预先定义的族。使用相应的 ANSYS 命令定义荷载后，可通过命令 ~BLWRITE 指定要将荷载分配到的族编号。该命令执行一个 ~CFLSWRT，并将所创建的荷载归入指定的族中。同一荷载最多可分配给十个不同的族。

18-B.7.3    简单状态的计算

简单状态的计算必须通过命令 ~BLSOLVE。该命令计算各族中包含的所有简单状态（移动荷载、附加荷载、预应力荷载和用户荷载）。

该命令不支持 restart，也不支持单元的生死。

18-B.7.4    将族转换为组合

根据预先定义的族构建组合，通过命令 ~BLF2CMB 将族转换为 CivilFEM 荷载组合。

例如，族 1007 由以下命令定义：

~CMBDEF,1007,INCOMPAT   （将表示移动荷载族）

~BLVR, 1007,... （生成 m 个荷载工况）

~BLVR, 1007,... （生成 n 个荷载工况）

~BLSOLVE （求解全部 m+n 个荷载状态）

然后使用命令 ~BLF2CMB 会自动生成组合 1007，其“Start States”包含属于同编号荷载族且已使用命令 求解的全部 m+n 个荷载状态。~BLSOLVE。该组合的编号 始终与生成它的荷载族编号相同。

因此，执行命令 ~BLF2CMB，所有“start states”都会 自动分配给所生成的各个组合，因此只需定义目标（目标），即通过荷载组合 希望达到的目标。

执行后，该命令将删除现有的 荷载族，并标志着一个分界点，即从 此时起只能使用 CivilFEM 组合模块的 命令：目标定义（命令 ~TRGDEF）和组合（命令 ~COMBINE).

荷载族的作用仅在于 便于生成大量荷载，这些荷载将在 确定结构最不利工况时进行组合。

另一方面，如果存在 用户定义的且未纳入荷载族的荷载， 则应采用常规流程，执行 CivilFEM 组合模块所需的全部步骤 （目标定义、 start states 定义、组合规则等）。

 

18-B.8               荷载生成

18-B.8.1    交通荷载

18-B.8.1.1       车辆 定义

车辆荷载向桥梁的传递通过一个 m x n 点的矩形 实现（见图 19.8-1），其定义采用以下命令结构：

~BLVST, Num

~BLVA, n, a₁, a₂, ..., a_n-1

~BLVB, m, b₁, b₂, ..., b_m-1

~BLVC，Type，d，start，end， xLoc，yLoc

~BLVD, j, Ini, P_Ini,j, P_Ini+1,j, ..., P_n,j

~BLVEND

其中

Num	-	车辆识别号；如果此字段 留空，系统将分配一个比上次 使用的编号大 1 的编号。
n	-	荷载工况列数。
m	-	荷载工况行数。
Type	-	车辆类型：0 或空白 – 刚性车辆（默认值）； 1 可适应路径的车辆。可以定义刚性车辆或 柔性车辆（见图 19.8-2 和 19.8-3）。这将影响 计算车辆所遵循路径时的结果。
d	-	车辆通过前的净距。净距区域 定义为边与车辆定义边平行的矩形，不能被其他车辆占用。如果未定义净距区域， 则认为两辆车可以相互接触（但 不能占据同一空间）。
start	-	荷载生成开始时车辆位于桥梁外部 的部分。
end	-	荷载生成结束时车辆位于桥梁内部 的部分。
xLoc, yLoc	-	用于将车辆布置在路径上的车辆 参考中心坐标。
j	-	定义荷载的行号（每列一个荷载）。
Ini	-	开始定义荷载的列号。
Pij	-	施加在第 i 列与第 j 行交点处的荷载。

 

有关车辆定义方法的更详细说明，请参见上述命令。车辆定义完成后，可通过命令删除车辆。~BLVDEL.

 

图 19.8-1 车辆定义

18-B.8.1.2       移动荷载 定义

定义将在桥上行驶的车辆后，可通过命令自动生成交通荷载。~BLVR. L由于多个车辆不能同时占据同一位置，移动荷载被视为相互排斥的荷载族。单个车辆会形成不相容类型的组合；多个车辆同时存在时，则形成选择类型的组合，其中 NADD 等于同时存在的车辆数。因此，移动荷载生成器会创建一个荷载族，其中包含车辆沿其行驶路径可能处于的各个位置。

生成移动荷载需要定义以下参数（另请参见命令~BLVR):

IdFam	-	将分配给所生成荷载族的编号。 所分配的荷载族必须已通过命令预先定义~BLFDF。否则，程序将发出警告信息。
Id_FamH	-	将分配给制动荷载族的编号。如果需要考虑制动荷载，则必须预先定义该荷载族。如果此字段留空（不输入），则不创建该荷载族。如果不输入下述参数 HL 和 HLMin 的值，也不创建该荷载族。
Id_Vehicle	-	将在桥上行驶的车辆标识。应输入在命令中分配给该车辆的编号~BLVST.
CompLine	-	构件名称，该构件必须包含一组首尾相连的线，用于表示道路轴线（桩号点线）。如果使用了命令~BRSKTCH （用于绘制已定义的里程点线）时，程序将默认采用 CompLine=BROUTEL。
AssemFE	-	一个组装的名称，其中包含将施加荷载的节点和单元。如果桥梁有限元模型是通过命令生成的~BRGEN，程序会自动创建此组装，并默认指定 AssemFE = BDECK（如果未指定其他名称）。否则，需要创建一个 组装，并使用 ANSYS 的相应命令。
Dist	-	线构件的偏移量。沿线的前进方向（或 PK,s 增大方向）观察时，向右为正。偏移通常相对于线构件进行。
HL	-	转化为水平荷载（制动或启动荷载）的重量分数，必须为³ 0 或留空，在这种情况下取为零。
HLMin	-	上述荷载的最小值（针对整辆车），必须为³ 0 或留空，在这种情况下取为零。

分配车辆荷载的荷载族应具有以下特征：

a)    单辆车

Type = Incompatible o Exclusivo

Coef1 = 1   Coef2 = 0

NADD = 1

b)    n 辆车 同时存在

Type = 选择

Coef1 = 1   Coef2 = 0

NADD = n

下图给出了刚性车辆和柔性车辆移动荷载后续施加所需的行驶路径定义。

图 19.8-2 刚性车辆行驶路径

图 19.8-3 柔性车辆行驶轨迹

车轮上的正荷载对应于全局 Z 轴正方向上的荷载。将在车辆行驶轨迹影响到的所有结构节点上施加荷载。

如果需要对车辆作用进行动力分析，则必须启用此类分析（命令 ANTYPE），并在命令中定义以下参数 ~BLVR:

STTIME         瞬态分析的 初始时间。如果 VELOCITY=0，则忽略该值.

VELOCITY    瞬态分析 的车辆速度.

18-B.8.2    生成附加荷载

与移动荷载不同，附加荷载可以视为一组彼此不相交的荷载，这些荷载之间并非互斥。因此，应使用创建 COMPATIBLE 类型荷载组的命令。

使用以下命令生成该荷载组（见图 19.8-4）：

~BLSST, Id_Fam, Id_FamH

~BLSA, m, d₁, d₂, ..., d_m

~BLSB，p，AssemKL，AssemFE， HL，HLMin

~BLSEND, UFZ

这些命令生成尺寸为 (s 的矩形附加荷载_i) x (d_j – d_j-1); 其中：

si	关键点之间的跨段长度。根据 AssemKL 自动定义。
dj	是沿桥梁基准线法向的有符号距离；沿 MP,s 的前进方向观察时，正号取在左侧。
M	输入的 dj 距离数量。
P	附加荷载值，单位为压力单位。
Id_Fam	分配附加荷载的荷载组编号。
Id_FamH	制动力荷载所属的荷载组编号。如果未定义此 参数，则不创建该荷载组。
AssemKL	包含关键点和线、用于定义道路轴线的 assembly 名称。如果使用了命令 ~BRSKTCH （用于绘制已定义的里程点线）时，程序将默认采用 AssemKL=BROUTE。
AssemFE	包含节点和单元的 组装 的名称，荷载将施加在其中的节点和单元上。如果桥梁有限元模型 是使用命令 ~BRGEN, 程序将自动创建此 组装，并默认指定 AssemFE = BDECK（如果未指定其他名称）。否则，需要创建一个 组装，使用 ANSYS 的相应命令。
HL	转化为水平荷载（制动或启动荷载）的重量 分数，必须为 ³ 0 或空白，在这种情况下取为零。
HLMin	上述荷载的最小值（对于整辆 车辆），必须为³ 0 或空白，在 这种情况下取为零。

 

图 19.8-4 活荷载定义

正活荷载对应于垂直指向结构内部的压力。荷载将施加在结构 构件上。

分配活荷载的族应具有以下特性：

Type = COMPAT

Coeft1 = Coeft2 = 1

NADD= 车辆的所有可能位置

否则，CivilFEM 将通过警告消息指出。

18-B.8.2.1       梁模型

荷载网格单元投影到梁构件上，并考虑横截面的尺寸。如果 单元完全位于模型板面内，则采用全部荷载。如果单元只有一部分与梁 模型相交，则在梁上施加等效荷载，以获得与相交区域的面荷载所产生的 相同支座反力（力和力矩）。

18-B.8.2.2       实体单元模型

对于荷载网格的每个单元，将以均匀压力加载其重心位于该 单元下方的所有单元。

默认情况下（UFZ = 0），施加于所有单元的面荷载值是通过命令定义的值（常数值）。这将使所有单元承受相同的荷载。

可以对单元施加不同的荷载，此时将考虑受荷单元面积与荷载单元格面积之间的关系（UFZ = 1）。这样产生的 FZ 总反力将等于单元格上施加的面荷载所产生的反力。同一荷载单元格下的单元所施加的荷载相同，而不同于另一单元格下单元所施加的荷载。

18-B.8.3    预应力荷载

由主动钢筋产生的荷载作为节点集中荷载输入。此选项仅适用于 实体单元模型。

18-B.8.3.1       缆索 定义

缆索定义通过输入组成缆索的各点在空间中的坐标以及各点处的 张力值来完成。通过以下命令组执行：

~BLCBST, IdCable

~BLCBPA, x, y, z, T, p1, p2, p3, q1, q2, q3

_…

~BLCBEND

其中：

IdCable	缆索标识号。
x, y, z	点在空间中的坐标。
T	点处的拉力（力的单位）。
p1, p2, p3	点之前区段的切向量。
q1, q2, q3	点之后区段的切向量。

18-B.8.3.2       通过三次样条曲线 调整索的布置

CivilFEM 将在内部不存在奇异点的区段中调整三次样条曲线。

给定空间中的一组点 {P₁, P₂, ..., P_N}，需要得到一组三次曲线，其定义域延伸至各点之间的区间，使相邻的两条曲线不仅经过同一公共点，而且在该点还具有相同的切向量和曲率。

为使问题完全确定，需要知道该组点端点处的切向量。这些向量表示为 .

图 19.8-5 三次样条曲线的生成

18-B.8.3.3       将索的作用 施加到结构上

程序将索传递给结构的力施加到结构上的过程如下：

-          将索划分为若干互不相交的段，使每一段均位于一个单元内，并且所有分段共同还原整根索。

-          求出该段索对结构作用的合力，该合力由作用于其两个端点 T1 和 T2、且与索相切的两个力组成。

-          求出与力组 {T1, T2} 等效的力系，并将其移至单元的重心。

该力系 由三个力和三个力矩组成：

其计算可直接进行，因为

其中 T_li 为端点 l（1 或 2）处张力的第 i 个分量，b_li 为点 l 与单元重心之间沿 i 方向的标高差。

图 19.8.3.4 索作用的传递

-          需要求出一组施加于单元角节点上的力，使其平衡力系 S_cdg.

设 n 为单元的顶点数，G 为分别位于该单元各顶点处的 n 个单位质量组成系统的重心。

现在用 { 表示R, MR} 与预应力相等效、并归结到重心的力系（R 为力的合力，MR 为相对于 G 的力矩）。

需要求出一组 n 个力 {Fi} 施加于单元节点上，以平衡上述力系。

通过以下命令之一传递荷载：

• ~BLPL，用于将索 分配给荷载族，以便随后进行加载（参见命令 ~BLSOLVE）。在施加索荷载之前，该命令会删除 之前已施加的荷载。
• ~BLCBLD 用指定的缆索加载模型，但不将其分配给荷载族，也不删除任何已有荷载。

18-B.8.4    与组合模块的交互

在前面的章节中，已定义了一组命令，用于计算荷载状态以及随后进行作用组合：

这些命令可以与 CivilFEM 组合模块中的命令结合使用：

~CMBDEF	定义组合规则。
~COMBINE	启动组合规则的计算过程。
~STSTCFT	定义组合的 start states。
~STSTDEF	定义属于组合规则的 start states
~TRGDEF	定义用于进行组合的 Target：
~CMB	加载与所选 target 对应的组合结果。

熟悉组合模块使用方法的用户（或希望执行桥梁模块荷载族系统未预设的某项功能）可以使用该模块。为此，只需识别每个荷载族中已创建的荷载（尤其是通过以下命令生成的荷载：~BLVR，移动荷载；~BLSST，超载，以及~BLCBST，缆索作用），这些荷载可通过命令中的选项进行识别~CFGET.

此外，还可以使用组合模块中现有的描述命令：

~CMBINQ	报告模型某一点处获取 target 所使用的系数和 Start States。
~CMBLST	列出组合规则数据。
~CMBSTAT	列出组合模块数据。
~TRGLST	列出 Targets。

 

18-B.8.5    梁模型中的荷载

使用与 3D 模型相同的命令，因此该命令与实体单元或板单元模型中的命令相比没有变化。

18-B.8.5.1       超载

沿梁的轴线以普通荷载规律（单位长度荷载）的形式输入。

18-B.8.5.2       移动 荷载

移动荷载在空间中定义，其中 Z 坐标为竖直方向（投影方向）。

与 3D 情况一样，车辆会生成两个荷载族，一个用于竖直分量，另一个用于水平分量。竖直分量通过将车辆每个车轮的荷载转移到桥梁（梁）轴线上最近的点，并在梁模型中施加相应的扭矩来获得。水平分量的计算方式与 3D 情况类似，并直接转移到梁模型中。荷载通过分配到模型中最近的节点上来施加。

可以使用 BEAM4 和 BEAM44 单元，以及 BEAM3 和 BEAM54 单元；但对于后两者，由于它们是 2D 单元，所施加的荷载可能会作用于模型中不存在的自由度，因此将被忽略。

输入荷载时，务必注意以下事项：

• 竖直荷载沿 Z 轴方向，水平荷载沿轨迹切线方向；还应区分车辆是刚性的还是柔性的。
• 梁模型必须定义 Beam&Shell Properties 及其相应的横截面。
• 桥面板宽度对应于按截面 Z 轴方向测量的 截面横向宽度。
• 未作用在梁宽范围内 （截面横向宽度）的荷载将被忽略。
• 变截面梁按线性变化考虑。
• 模型应由首尾相接并共用端部节点的梁组成。如果一个节点连接了两根以上的梁，或梁未形成连续结构，则某些情况下施加的荷载可能与预期不符。
• 构件中所有将施加荷载的单元 必须属于同一类型。

 

18-B.9               施工过程

18-B.9.1    简介

桥梁模块提供了一个可对不同施工阶段进行计算的选项。

本版本实现的施工方法包含所谓的分阶段施工，即通过对可包含一个或多个跨径的节段进行混凝土浇筑和预应力施工来建造桥梁。

18-B.9.2    施工过程定义

要执行此类过程，首先需要定义施工过程的类型（参见命令 ~CPDEF).

此外，通过定义命令还可指定构成施工过程的步骤数及其可能的选项。 在求解阶段，每个步骤对应一个“load step”。

图 19.9.1 分阶段施工过程

18-B.9.3    各施工阶段的数据

每个施工阶段或施工相位均与施工过程中的一个步骤相关联，因此必须在每个步骤中定义要执行的属性和操作（参见命令 ~CPSTDEF).

施工过程的每个步骤都对应一个时间，用于计算构成模型的各材料龄期。此外，每个步骤还必须定义：

-          “死亡”的单元

-          “出生”的单元

-          停用的预应力筋

-          预应力筋

-          操作

单元的出生与死亡操作以及预应力筋的启用与停用操作通过命令 ~CPSTDEF。该命令在每个步骤中创建一系列包含出生和死亡单元的组件。

要定义作用于结构的操作（重力、力、压力、边界条件等），必须创建一个 “load step”（参见命令 ~CFLSWRT)，其编号必须与所对应的施工过程步骤相同。

18-B.9.4    模型求解

定义施工过程、每个步骤的属性以及包含相应荷载的各个“load step”后，通过命令 ~CFLSSLV. 该命令的工作方式类似于命令 LSSOLVE ANSYS， 对所定义的每个施工步骤进行求解；此外，还执行单元的出生与死亡、预应力筋的启用与停用操作，并根据计算的激活时间更新模型属性。