论文摘要
目前,桥梁结构的整体分析一般都是建立在平面或空间杆系有限元理论基础上,部分采用三维实体单元分析但尚不成熟。对于普通钢筋混凝土和简单预应力混凝土桥梁,结构计算采用杆系有限元加局部三维分析基本够用。但对于特殊造型桥梁、多向预应力体系桥梁及弯、宽桥,这些以杆系有限元理论为基础的分析方法已不能完全满足设计者的需要。随着大跨度和复杂的桥型不断涌现、计算机技术的高速发展、有限元理论的逐步完善,全桥结构三维仿真分析（SSEB）已进入实质性研发阶段。通过三维实体结构仿真分析,模拟桥梁构件的空间状态,真实反映边界条件和荷载状况,可得到更详尽、精确和可靠的分析结果,以指导设计和施工。本文基于大型通用有限元软件ANSYS和MATLAB,探索三维实体模型下进行PC桥梁结构整体仿真分析的途径,研究其关键理论及专业模块开发技术。重点研究了预应力筋的模拟、预应力效应的等效转换和桥梁截面切片技术。研究成果可广泛应用于PC桥梁的三维仿真领域,具有较大的理论意义和工程实用价值。本文在如下几个方面进行了理论、数值研究,并取得了一些研究成果:1、根据PC桥梁设计与实际筋施工中预应力布置的特点,成功引入CAGD中的非均匀B-Spline模拟空间曲线型预应力筋,成为课题研究的理论前提。2、研究了桥梁结构中预应力损失产生机理,推导出任意空间曲线型预应力筋的摩擦损失和考虑反摩阻力影响的锚具回缩损失的数值公式;3、根据预应力等代荷载原理,实现了预应力效应,即锚固端集中力和体内预应力径向力在实体单元中的等效转换,该方法对各类实体单元具有通用性;4、鉴于桥梁截面多样化特点,提出一套约束Delaunay三角网格划分方法,并针对实体模型,研究了截面几何特性、截面内力和正截面抗弯承载能力计算理论。5、实现了实体模型下的截面切片可视化以及相关配套技术,为桥梁精细化分析和处理大容量结果分析数据提供了一条可选途径。6、基于WINDOWS消息处理机制,实现了对ANSYS软件的无缝控制。采用Fortran语言和C++面向对象编程,开发出基于ANSYS与MATLAB平台的PC桥梁分析模块,实现了实体模型下的曲线PC箱梁桥的静力分析。由于以ANSYS和MATLAB平台为依托,上述成果的实现只编写了少量程序代码,却能利用ANSYS前、后处理、求解器和MATLAB C++数学库等强大功能,说明本文尝试的软件开发途径是有效的。本文的研究对于提高PC桥梁结构设计水平和效率,普及三维实体有限元技术的应用,拓展专业模块软件的开发途径具有重要的理论意义和实用价值。