ANSYS二次开发在桥梁设计中的应用
李正 徐立功 江苏省交通规则设计院
摘要：对大型有限元程序ANSYS进行二次开发，实现活载加载、砼的徐变、收缩，砼的弹性模量随时间的变化，钢绞线的松弛，预应力束的生成，张拉等功能，使ANSYS程序具有更好的桥梁分析能力。
关键词：ANSYS 二次开发 活载加载 预应力砼结构
一、引言
随着交通事业的发展，桥梁设计遇到许多新问题，如分岔桥变宽桥斜弯桥钢箱梁桥等等，传统的桥梁专用程序（平面杆系程序、弯桥程序）难以胜任，我们只能做些近似计算。大型的有限元程序有很多种，但不是针对桥梁设计，只能用来做些局部分析或针对某一问题的分析。好在这些大型的有限元程序往往具有二次开发的功能，我们可进行二次开发，使程序具有更好的桥梁分析能力。ANSYS就是一个具有二次开发的功能的大型有限元程序。 二、ANSYS二次开发工具
ANSYS二次开发工具有三种：UIDL、UPFs、APDL
UIDL的全名是User Interface Design Language，是Ansys中二次开发工具之一。GUI方面几乎全部的二次开发功能都将由它运筹帷幄。其功用为:组织强大的菜单系统．构建功能繁复的对话框。
UPFs是全称是User Programmable Features。因为ANSYS程序有开放的体系结构, 我们能用C或FORTRAN写我们的自己的例程或子程序，把他们连到ANSYS或使用他们作为外部的命令。使用UPFs, 我们能按需要定制自己的ANSYS。例如,你可以定义新材料行为，一个特殊的单元，或一个修改的破坏标准。
APDL的全称是ANSYS Parametric Design Language。APDL可以帮助我们更加有效的进行分析计算，让我们轻松实现循环、分支、宏等结构，并是一种高效的参数化建模手段。很多情况下，APDL主要用在优化设计或者自适应网格划分中。在日常分析中如果你知道善用，APDL也将发挥其强大的优势，同类问题稍做修改，就可解决。
APDL所能实现的功能通俗的说来应该是次于UPF而强与UIDL，但实际上是由于三者具体侧重点不同造成的：UIDL主要控制GUI界面的各类二次开发方法，涉及的分析部分就要少一些，APDL可以称其为和分析部分频繁打交道的一组小型工具，功能强大，但和UIDL不
一样，能够非常具体的针对某一两方面的二次开发处理，通常情况下的他融合在分析的角角落落中。UPF是三者之间的最强者，他能完成最复杂的二次开发工作，比如说构建新单元，复杂数据库交互，外围命令定制等，但UPF在很多情况下也借助了APDL命令来完全实现其功能。同样我们也能在UIDL中欠入APDL命令，来构建比较复杂的GUI二次开发工作。
一句话，UIDL、APDL和UPF三者各有所长，密不可分。结合使用三者，我们将能够实现任何强大的分析功能。 三、需要二次开发的功能
ANSYS本身具有很多功能可直接用到桥梁设计中，如单元的死活功能可模仿桥梁施工过程。ANSYS中不具备而桥梁设计所需要的功能：
１．活载加载 ２．预应力砼结构
包括砼的徐变、收缩，砼的弹性模量随时间的变化，钢绞线的松弛，预应力束的生成，张拉等。
３．其它问题 四、二次开发的功能的实现
１．砼的徐变收缩、砼的弹性模量随时间的变化
砼是土木工程中最常用的材料，但其材料性质也较复杂，对于预应力砼结构的使用阶段，我们需考虑的因素就有：砼的徐变、收缩，砼的弹性模量随时间的变化。
ANSYS中虽然可以做材料的徐变分析，但没有能用于砼的徐变分析的表达式，需要我们自己写，砼所在单元的激活时间、加载龄期是必须考虑的参数，其它参数因采用徐变公式的不同而不同。我们可以把不同的徐变公式写在同一个子程序usercr.f中，用户可自己选择。图1是美国公路桥梁规范（AASHTO-LRFD，1994）的徐变公式做的一个杆单元的徐变分析。
砼的收缩可利用ANSYS中单元的swelling特性，这个特性本来用于核注量引起的体积变化，我们当然可以把它改造成砼的收缩特性，同砼的徐变一样，必须把砼所在单元的激活时间做为一个参数。要修改的子程序是usersw.f。
砼的弹性模量随时间的变化也需要进行二次开发，相关的子程序是usermatps.f。 2．钢绞线的松弛
松弛和徐变可以说是同一问题的两种表达方式，其处理方法同砼的徐变，可写在同一子程序中。图2是根据新规范送审稿中低松弛钢绞线应力松弛的规定用单个杆单元做的分析。
图1徐变
图2钢绞线应力松弛
以上这二点均采用UPFs来实现，当然实现这些功能也可用其它方法，如砼的收缩用降
温也可实现。但采用UPFs来实现更有系统性，少了人工干预，与别的功能的运用无冲突。 3．预应力束的生成
在ANSYS中，预应力束可采用等效荷载法和实体力筋法。所谓等效荷载法，就是将力筋的作用以荷载的形式作用于混凝土单元上；所谓实体力筋法就是用link模拟力筋。 1）等效荷载法的优缺点
优点是建模简单，不必考虑力筋的具体位置而可直接建模，网格划分简单；对结构的在预应力作用下的整体效应比较容易求得。其主要缺点是：
① 等效荷载法没有考虑力筋对混凝土的作用分布和方向，力筋对混凝土作用显然在各处是
不同的，等效荷载法则无法考虑；水平均布分量没有考虑。
② 对某些线形的力筋模拟困难，例如通常采用的是直线(较短)＋曲线＋直线(很长)＋曲线＋
直线(较短)，这种形式的布筋等效起来麻烦，且可能不合理。
③ 难以求得结构细部受力反映，否则荷载必须施加在力筋的位置上，这又失去建模的方便
性。
④ 在外荷载作用下的共同作用难以考虑，不能确定力筋在外荷载作用下的应力增量。 ⑤ 对张拉过程无法模拟。
⑥ 无法模拟应力损失引起的力筋各处应力不等的因素。 2）实体力筋法的优缺点
将混凝土和力筋划分为不同的单元，预应力的模拟可以采用降温方法和初应变方法。建议采用初应变方法。因为这与单元升降温运用无冲突，而升降温是桥梁分析中常常要做的。实体力筋法可消灭等效荷载法的缺点，但建模工作量要大些。
预应力钢束的生成有两种处理方法，一是单元分割法，二是采用独立建模耦合法。 单元分割法
单元划分时使钢束线同时是其他单元的边界线。这种方法是基于几何模型的处理，即几何模型为一体，力筋位置准确，求解结果精确，但当力筋线形复杂时，建模特别麻烦。
独立建模耦合法
该法的基本思想是钢束和其它单元独立建几何模型，分别划分单元，然后采用耦合方程将力筋单元和其它单元联系起来（有粘结无有粘结均可），这种方法是基于有限元模型的处理。这种方法建模特别简单，耦合处理也比较简单(APDL要熟悉些)，这种方法是解决力筋线形复杂且力筋数量很多时的较佳方法。 4．预应力束摩擦损失和回缩损失
