基于结构构形易损性理论的桁架结构分析
第３１卷第１５期 振动与冲击 ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＶＩＢＲＡＴＩＯＮ ＡＮＤ ＳＨＯＣＫ 基于结构构形易损性理论的桁架结构分析 苏冠兴 ，张志强ｌ＇ ，叶继红ｌ，。 （１．东南大学土木工程学院，南京２１００９６；２．江苏省苏科建设技术发展有限公司，南京２１０００８； ３．东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京２１００９６） 摘 要：介绍基于结构构形的易损性理论，具体分析了几种桁架结构的易损性，详细表述了结构集簇解簇过程，得 到各种失效模式，验证了基于结构构形的易损性理论，为结构易损性分析提供范例。发现结构应力较大的杆件与易损性 分析的失效杆件有对应关系，为结构易损性分析提供了新的思路；通过分析结构在集中力作用下极限荷载与易损性分析 特征参数，发现如果结构形式相同、集簇过程类似，那么随着连接能力的增大结构临界荷载增大。 关键词：易损性；结构簇；失效模式；桁架；整体倒塌失效模式 中图分类号：ＴＵ３５２．１ 文献标识码：Ａ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ＳＵ Ｇｕａｎ ｘｉｎｇ ，ＺＨＡＮＧ Ｚｈｉ—ｑｉａｎｇ ，ＹＥ ．ｈｏｎｇ ， （１．Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｊｉａｎｇｓｕ Ｓｕｋｅ Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１０００８，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ ａｎｄ Ｐｒｅｓｓｔｒｅｓｓｅｄ Ｃｏｎｃｒｅｔｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｍｉｎｉｓｔｒｙ ｏｆ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｈｅｏｒｙ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ，ｔｈｅ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｕｎｚｉｐｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ｗｅｒｅ ｄｅｓｃｒｉｂｅｄ ａｎｄ ａ ｖａｒｉｅｔｙ ｏｆ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｃｅｎａｒｉｏ ｗｅｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ． Ｔｈｒｏｕｇｈ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．ｏｆ ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｔｈｅｏｒｙ ｗａｓ ｖｅｒｉｆｉｅｄ ａｎｄ ａ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｂｙ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｅｓｓ ｒａｔｉｏ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈｌｙ ｓｔｒｅｓｓｅｄ ｂａｒｓ ｕｓｕａｌｌｙ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄ ｔｏ ｔｈｅ ｄｅｔｅｒｉｏｒａｔｅｄ ｂａｒｓ ｉｎ ｔｈｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ．Ｗｉｔｈ ｔｈｉｓ ｉｄｅａ，ａ ｎｅｗ ａｐｐｒｏａｃｈ ｆｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｐｒｏｖｉｄｅｄ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ａｃｔｉｏｎ ｏｆ ｌｉｍｉｔｅｄ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｄ ｆｏｒｃｅ ａｎｄ ｃｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇ ｔｈｅ ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｉｔ ｉｓ ｆｏｕｎｄ ｔｈａｔ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｃｌｕｓｔｅｒｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ， ｔｈｅ ｃｒｉｔｉｃａｌ ｌｏａｄ ｉｎｃｒｅａｓｅｓ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｉｎｃｒｅａｓｅ ｏｆ ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｖｕｌｎｅｒａｂｉｌｉｔｙ；ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｃｌｕｓｔｅｒ；ｆａｉｌｕｒｅ ｓｃｅｎａｒｉｏ；ｔｒｕｓｓ；ｔｏｔａｌ ｆａｉｌｕｒｅ ｓｃｅｎａｒｉｏ 如果一个结构在某种局部破坏作用下所产生的后 果是整个结构大范围的破坏，则称该结构就是易损的； 反之，如果一个结构在一定程度上能够承受任意的局 部破坏作用，则称该结构就是不易损的或是鲁棒的（强 健的）。可以认为，结构的局部破坏引起的整体破坏范 围越大，结构的易损性就越大。越来越多的专家认为： 为了保证结构的安全，设计中必须考虑结构的易损性 问题。在建立结构易损性和鲁棒性理论方面各国学者 提出了不同的概念和方法，Ｌｉｎｄ 提出了基于概率的 易损性和容许损伤的定义义，易损性定义为损伤系统 的失效概率与未损伤系统的失效概率的比值，而容许 损伤定义为易损性的倒数。Ｚｉｈａ＿２ 通过引入不确定测 基金项目：国家自然科学基金资助项目（９０７１５００５） 收稿日期：２０１１—０６—２０修改稿收到Ｅｔ期：２０１１—０８—２３ 第一作者苏冠兴男，硕士，１９８５年生 通讯作者张志强男，博士，副教授，１９６９年生 度的概念，提出了基于不确定性信息熵的事件系统鲁 棒性理论，指出提高系统的鲁棒性要求有效模式和失 效模式的概率分布尽量一致均匀。ＢｅｅｄｙⅢ３ 提出了基 于能量吸收思想的鲁棒性概念和单位体积允许损伤能 量的概念，结构鲁棒性的要求就是指能够吸收由意外 事故造成的损伤而不发生倒塌。柳承茂等 Ｊ也对易损 性问题进行了研究，提出了基于刚度的构件冗余关联 度的概念，并在势能最小原理的基础上对构件冗余关 联度与结构静不定次数的关系进行了证明。Ｂｌｏｃｋｌｅｙ 等＿５ 提出基于结构形式的易损性概念，通过研究结 构构件组合的方式和结构可能发生的失效情况，研究 结构中的薄弱部位，提出了系统的理论。本文正是基 于这种理论研究桁架结构的易损性并与荷载作用相 联系［１４－１５］。 １基于结构构形的易损性理论 １９９１年英国布里斯托大学的Ｂｌｏｃｋｌｅｙ等 。
提出 第ｌ５期 苏冠兴等：基于结构构形易损性理论的桁架结构分析 １３ 了基于结构构形的易损性理论，将易损性定义为部分 的损坏引起整个结构不成比例的破坏。它主要研究的 是结构形成过程、杆件可能的损害路径和结构的各种 破坏模式。定义结构环或结构球为结构最基本的受力 单元，结构由结构环（结构球）连接组合而成。首先选 取连接能力最大的结构环为基簇，按照连接能力增大 的原则，根据集簇规则集成其他杆件，最终与参考簇 （大地）相连集成整个结构。集簇规则有最小损坏需 求、节点连接度、与参考簇的距离。在集簇过程中结构 连接能力是重要的参数，表征了结构承受各种作用的 能力。 解簇过程是集簇的逆序，它不是无序进行的，有严 格的规则，主要包括是不是参考簇和结构连接能力等。 解簇过程中产生了结构分离度、相对损坏需求和易损 性指数等重要参数。它们是区别结构失效模式的重要 指标。每次解簇得到一个失效事件，直到结构成为机 构，所有的失效事件构成一种失效模式。结构共有五 种主要的设计者所关心的失效模式：整体倒塌失效模 式、最大失效模式、最易发生失效模式、最小失效模式 和特定失效模式。其中，整体倒塌失效模式结构破坏 最大、损坏需求最小、易损性指数最大，是一种最易损 的失效模式，其所包含的杆件也是设计者着重关心的。 在这种理论中主要提出了以下的基本概念： （１）图模型：一系列被看作对象的结构单元和节 点组成的集合。每个单元至少连接两个节点。 （２）结构簇：图模型的子集，能够形成结构环，处 于结构簇中的对象更紧密地连接在一起。整个结构称 为完整簇，结构集簇过程中形成的称为子簇。 （３）结构环：二维结构的基本组成部分，可以抵抗 任意方向荷载，如图１所示。 （４）连接能力：衡量 结构的一个指标，它与结 构类型、连接节点的杆件 刚度、结构中杆件连接状 态等有关，它分单个节点 连接能力、结构环的连接 能力和结构簇的连接能 力。结构环和结构簇的连 接能力等于其中所有节点 连接能力的平均值。 ＼竺 ／ 图１结构环示意图 Ｆｉｇ．１ Ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｉｎｇ ｑ ＝ｄｅｔ（Ｋ ）＝ＡＩＡ２Ａ３ （１） 其中：Ｋ 为节点ｉ的所有杆件刚度矩阵，ｑｉ为第 个节 点的连接能力。 Ｑ： （２） 结构簇的连接能力等于该簇中所有节点连接能力 的平均值。Ｑ为结构簇的连接能力，ｎ为结构簇中节 点数。 （５）节点连接度：与某结构簇的节点相连的所有 杆件数，表征了结构簇与其它簇相连形成新的结构环 的潜在能力。 （６）失效事件：由作用引起的结构抵抗某个方向作 用能力的丧失，如结构杆件的破坏，节点约束的减小。 （７）损坏需求：每次失效事件对应一定的损坏需 求，以衡量引起结构失效作用的大小。失效事件的损 坏需求与结构的主轴刚度系数成正比，可以定量的表 示如下： ｅ（ ｊ，ｋ）＝ （Ａ ×吒， 一Ａ ＋。×吒 ）（３） ｅ（ｇ Ｊ， ） ＝ ｌ √， （Ａ Ｊ， × ：√， 一Ａ：√， ＋１×ｓ１ Ｊ， ＋１） （４） 其中：ｄ ：节点的自由度；ｓ ｌ ：杆件的自由度； ｌ ： 系数；Ｚ：描述的等级；ｉ：节点或杆件的编号； ＝｛ ， ， ｝：节点或杆件串模式；ｋ：失效等级； ｍ：主轴刚度 系数。 （８）相对损坏需求：一种失效模式的相对损坏需 求是其损坏需求与结构最大损坏需求之比。 Ｄ ＝ （５） 上，ｍａｘ 其中：Ｄ表示损害需求； Ｄ 表示所有杆件的最大损害需求。 （９）分离度：衡量结构损坏的程度，它是损伤结构 连接能力的损失与原结构连接能力之比。当结构成为 机构而倒塌时，其分离度等于１。 ＝ （６） 其中：Ｑ（Ｓ）表示完整结构的连接能力指标 Ｑ（ｓ’）表示结构损坏后的连接能力指标。 （１０）易损性指数：衡量结构的易损性，对一种失 效模式它是分离度与相对损坏需求之比，表征了结构 分离度与损坏需求不成比例。 （７） 其中：Ｄ，表示相对损坏需求；ｒ表示分离度。 （１１）整体倒塌失效模式：结构成为机构而倒塌， 在所有可能的失效模式中，它的分离度等于１，并且易 损性指数最大。 （１２）最大失效模式：结构遭受最大范围的损坏但 未倒塌，其中，其易损性指数最大。 （１３）最小失效模式：结构中具有最小连接能力的 簇破坏 （１４）最易发生失效模式：所有可能失效模式中， 需要最小的损坏需求，所以是结构中最易发生的失效 模式。 （１５）集簇过程：集簇是基于结构本身构形易损性
理论分析的重要过程，它是解簇的基础，其最终所形成 １４ 振动与冲击 ２０１２年第３１卷 的结构层级模型为我们提供了直观的结构形成过程。 结构由最基本的节点和杆件组成，由节点和杆件连接 成为能抵抗任意方向荷载的结构环（结构球）。这些结 构环按照一定规则连接成簇，最终形成整个结构。其 中共有五种规则： ①Ｑ：首先也是最重要的规则是连接能力；② Ｄ 最小损坏需求；③Ｎ：节点连接度；④Ｄ ：与参考 簇的距离；⑤Ｆ ：当以上四种规则都无效时自由选择。 （１６）解簇过程：在集簇过程中，介绍了结构环的 退化等级模型及损坏需求的计算。对于集簇后的结构 来说，也是一种结构环。可以通过一定的方法找到结 构的退化等级和失效杆件，也就是解簇过程。解簇过 程以集簇过程为基础，是集簇过程的逆序分析。它使 用结构簇的层次等级模型，寻找各失效杆件及各种失 效模式。从最高等级的结构簇开始同时分析各结构 环，找到失效杆件，称为第一次失效事件。对于破坏后 的结构再次集簇和解簇，找到更多的失效事件，直到整 个结构或者其中一部分成为机构。 集簇过程从最高等级的结构簇开始依次按下列准 则进行： ①不是参考簇；②与参考簇形成结构环；③与参 考簇直接相连（但是不与其形成结构环）；④是原始簇 而不是中间簇；⑤有最小的连接能力；⑥有最小的损 坏需求；⑦最后集成；⑧自由选择。 基于结构构形的易损性理论只关注结构本身拓扑 关系而与可能承受的荷载无关，最终得到各种可能的 失效模式和易损的杆件也不是在特定荷载作用下得到 的，它只与结构本身有关，具有普遍性。这种失效模式 及易损杆件，可能会在各种特定荷载作用下得到验证。 易损性不同于可靠性，易损性不考虑荷载作用，而 可靠性是针对特定荷载作用下结构或构件的安全程 度，它与荷载作用密切相关。结构易损性分析用一种 简单但有逻辑的方法找到结构中潜在的易损杆件，它 与引起结构破坏的各种荷载作用相分离，然而找到结 构失效模式之后，设计者就可以评估结构在特定荷载 下结构可能的破坏模式，如果这种危险不能承受，就可 以采取有效的措施避免。这样的理论补充了安全性和 可靠性及风险评估的现有理论。 ２桁架结构易损性分析 由于桁架结构力学简单明了、受力性能良好、自重 较轻，被广泛应用于桥梁、屋架、起重机以及大跨屋盖 等结构中。本文从国家建筑标准设计图集（０５Ｇ５１５）中 选取标准平面桁架对其进行结构易损性分析 。 ２．１桁架一集簇解簇过程 选取１５ Ｉｎ跨桁架，其示意图见图２，节点编号见图 ３，杆件截面见表１，对结构进行易损性分析。 图２桁架一结构示意图 Ｆｉｇ．２ Ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ １ ｌ／ ＼ 图３桁架一结构节点编号 Ｆｉｇ．３ Ｊｏｉｎｔ ＮＯ．ｏｆ ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ １ 表１桁架一杆件截面 Ｔａｂ．１ Ｍｅｍｂｅｒｓ ｓｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒｕｓｓ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ １ 杆件编号 杆件标号 ，…１０，１４．，．１９，２４，３３，４，６，８，１２，１６，２ｏ，２２，Ｌ７５×５０×５ ２６．２８．３１ ２，１７，３２，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，１８，２１， ２３，２５，２７，２９，３０，３，５，７，９，１１，１３，１５，１７，Ｌ６５×５ １８，２１，２３，２５，２７，２９，３Ｏ 按照易损性分析理论，首先计算结构中结构环及 节点的连接能力、杆件损坏需求等参数，为集簇解簇过 程做准备，计算得到整个结构的连接能力： Ｑ＝３９３．５９０ ８ 按照结构集簇过程的五种原则，对结构集簇。集 成过程及结果如图４所示。对于此结构，连接能力最 大结构环是（２、３、４）选取此环为基本簇３５，按照连接能 力增大的原则逐步集成杆件１、５、６、７等形成结构簇 ４５。此时，如果集成杆件２４、２５结构连接能力值减小。 所以，从剩余杆件中选取结构环连接能力最大（３０、３１、 ３２）形成簇４６，再次按连接能力增大的原则集成形成簇 ４９。此时对杆件２４、簇４５、簇４９集成形成簇５０，结构 的连接能力值达到３９０．５９。簇５０和参考簇３４相连， 最终形成稳定的簇５１。结构集簇完毕。 以簇５１为例解簇过程如下： 按解簇的原则对结构解簇，对于簇５１解簇过程如 图５所示，从簇５１开始，簇３４是参考簇，所以选取簇 ５０，其由簇４９、４５、２４组成，三个簇都不与参考簇形成 结构环，而簇４９、簇４５与参考簇直接相连，其中簇４９ 有较小的连接能力，选取簇４９。下面按照与参考簇直 接连连的原则依次选取簇４８、４７。簇４７由簇４６、３３、２９ 组成，按照选取叶簇的原则，最终确定杆件３３首先损 坏，称为一个失效事件。此时结构没有形成机构，所以 对杆件３３损坏后的结构重新集簇解簇，找到杆件３２ 损坏，此时结构称为机构，解簇过程终止。在此种失效 模式中包含杆件３３、３２损坏两个失效事件。 计算结构簇的最大损坏需求如下表。
桁架结构实验报告
第 1 页 共 8 页 桁架结构实验报告
桁架结构实验报告
图4 挠度测点布置图
测点与通道对应关系：
b.桁架杆件应变“ε”测试
采用电阻应变测试方法测量5M钢桁架试件弦杆和腹杆应变。
由于是工况是对称加载，所以基本上在讨论的时候都是取一边的杆件来测量应变。但是为了校核应变片导线的连接正确程度，在右侧设置了33,34与37,38号测点。这样在预加载的时候可以根据其与左侧9，10与7,8号测点的应变值比较来判断导线连接是否正确。
图5 应变片布置图
图6 测量电桥图
应变片测点与通道对应关系表
三、主要试验结果
3.1试件受力过程
本试验单点加载，采用在P-
1，P-2点处加两个对称的集中力。
ansys桁架结构分析实例
ansys桁架结构分析实例
平面桁架的静力分析
摘要：近些年来，ANSYS 工程软件在工程领域内运用的很多，在分析线性有限元模型上比其他软件更具有优势。而在ANSYS 软件中最常用的是线性静力分析，尽管很多的材料不一样，但结果确基本一致。本文主要是要对平面桁架进行静力分析。
关键字：线性；桁架；有限元；结构
The plane truss static analysis
Abstract ：ANSYS engineering software engineering field use in recent
years, a lot, in the analysis of linear finite element model on more than any
other software advantages. The most commonly used in ANSYS linear static
analysis, although a lot of the material is not the same, but the result was
consistent. This article is mainly for static analysis of plane truss.
Key words：Linear; truss; finite element; structure
1. 引言
结构分析的四个基本步骤是：创建几何模型、生成有限元模型、加载与求解、结果评价与分析。具体步骤与结构分析类型有关，并且有些步骤可以省略或相互之间交叉，如简单结构的几何模型创建过程可省略而直接创建有限元模型，加载可在处理层也可以在求阶层等，需要根据具体情况以便利原则而定。
2主要步骤
结构线性静力分析步骤为：
2.1创建几何模型
Workbench结构分析20例--简单桁架分析
简单桁架受力分析
--Workbench结构分析20例之一 一、概述
图示三角架由 AB和 AC 两杆通过销钉连接，杆截面为圆形，AB杆半径为30mm，AC杆半径为25mm，材质为钢，弹性模量E=210GPa，泊松比为0.3，求当 P=100kN 时A的位移及B、C点的约束反力，并校核两杆的强度是否足够。
二、理论计算
1、杆轴力及强度计算 假设AB杆对A 的作用力为N1,AC杆对A 的作用力为N2，经计算得到，外力为P，则： N1=2P N2=1.732P
AB杆受拉力作用，AC杆受压力作用，则B、C点的约束反力大小分别为2P及1.732P，即200 kN和173.2 kN。
2、杆变形计算
假设A3点为变性后A点的真实位置，AA3 为所求A点的位移，则：
√( ) ( )
三、仿真流程
采用link单元模拟桁架，使用静力学分析类型。
1、设置分析类型
启动ANSYS Workbench界面，在工具箱中选中静态结构分析 ，并双击生成分析流程。
2、创建材料
在静态结构分析流程中，进入材料编辑界面，生成新材料命名为link，并将弹性模量设为2.1E11Pa，泊松比设为0.3。
3、生成几何模型
启动DesignModeler，生成两个linebody，并将其合并成一个part。并生成两个圆形截面，半径分别设为30mm和25mm，并重命名为C30与C25。
4、施加载荷
在两线连接点上施加竖直向下的载荷，大小为100000N。
5、设置边界条件
选中左侧两个独立的点，约束两点的所有自由度。
6、求解设置
在求解前，选中后处理中查看梁单元结果的选项，并进行求解。
7、查看轴力结果
插入Beam Result下的Axial Force，分别选中两个杆，计算后可以查看两个杆的轴力大小。
8、查看应力结果
插入Stress应力结果，分别选中分别选中两个杆，计算后可以查看两个杆的应力大小。
9、查看约束反力结果
简单桁架桥梁ansys分析
简单桁架桥梁ansys分析
Ansys是一款广泛使用的有限元分析软件，可以用于各种工程结构的分析，包括桁架桥梁。下面是一个简单的桁架桥梁分析的步骤，使用Ansys进行模拟。
一、建立模型
1. 创建新的分析：在Ansys中，首先需要创建一个新的分析。选择适当的分析类型，例如静态分析或动态分析，根据需要进行设置。
2. 创建几何体：在Ansys中，可以使用自带的建模工具创建几何体。对于桁架桥梁，需要创建梁单元和节点。梁单元用于模拟桥梁的横梁和纵梁，节点用于连接梁单元。
3. 定义材料属性：为梁单元分配适当的材料属性，例如弹性模量、泊松比、密度等。
4. 网格化：对几何体进行网格化，以生成有限元网格。可以调整网格密度以获得更精确的结果。
5. 边界条件和载荷：定义边界条件和载荷。对于桁架桥梁，可能需要在支撑处施加固定约束，并在桥面上施加车辆载荷。
二、进行分析
1. 运行分析：在Ansys中，可以运行分析并观察结果。可以使用后处理功能来查看结果，例如位移、应力、应变等。
2. 检查结果：检查模型的位移、应力、应变等是否符合预期。如果结果不符合预期，可能需要返回模型进行修正。
三、优化设计
1. 优化设置：在Ansys中，可以使用优化工具对模型进行优化设计。设置优化目标，例如最小化总重量或最大化刚度。
2. 运行优化：运行优化过程，Ansys将自动调整模型的参数以达到优化目标。
3. 检查结果：在优化完成后，检查结果以确保满足设计要求。 四、验证模型
1. 确认模型的正确性：在完成优化设计后，需要确认模型的正确性。可以通过与实验数据进行比较，或者与其他分析工具的结果进行比较来验证模型的准确性。
2. 进行敏感性分析：可以使用Ansys的敏感性分析功能来确定哪些参数对模型结果影响最大。这有助于在后续设计中更好地控制这些参数。
3. 确认模型的可靠性：确认模型是否符合工程要求和规范。如果模型满足所有条件，那么可以将其用于实际工程设计。
桁架结构梁单元与板壳单元结果对比分析与讨论
桁架结构梁单元与板壳单元结果对比分析与讨论
作者：暂无
来源：《智能制造》 2015年第5期
撰文/ 大连华锐重工集团股份有限公司设计研究院 张守云
一、 前言
在结构有限元分析过程中，为了提高工作效率并方便处理，工程人员习惯将桁架结构简化成梁单元进行处理，以期达到事半功倍的效果。然而，这种处理方法往往会忽略掉结构的局部细节，尤其是不同杆件连接处的节点板和加强筋板等，应用梁单元很难进行模拟。而这些局部细节问题处理的适当与否有时也会成为影响结构强度、刚度、屈曲以及疲劳等问题分析计算的关键因素。因此，为了更加准备地模拟结构的实际情况，有时需要将桁架结构处理成板壳单元进行有限元分析，但如此处理会在建模、求解及后处理上耗费大量的时间和精力，在产品设计和生产周期相对较为紧迫的情况下，一般很难满足快速准确地对结构进行设计、优化或验证的要求。
本文通过对同一桁架结构分别应用梁单元和板壳单元进行有限元模拟分析比较，讨论两种处理方法有限元分析结果的相同与不同之处，以期找到一种分析处理问题相对较为全面而且切实可行的解决方案。
二、桁架结构梁单元及板壳单元有限元模拟分析
1. 结构有限元模型
本文采用一种大型堆料机的俯仰钢结构作为分析研究对象，对其分别进行梁单元和板壳单元建模。由于在此只是分析梁单元和板壳单元最终分析结果异同点，所以分析中所用载荷并不完全考虑结构的实际承载大小，而是进行一个假定，即结构悬臂梁部分只承受物料载荷100 吨。
2. 整体刚度分析结果比较
由图1 不难看出，基于板壳单元的模型整体刚度要大于基于梁单元模型的整体刚度（前者在相同载荷作用下位移较小）。其主要原因在于，油缸端部支承处的结构形式经梁单元简化后（图2），无论抗弯还是抗剪刚度都减小不少。
3. 强度分析结果比较
（1）悬臂梁处综合应力结果比较。
图3 左侧是悬臂梁梁单元结果，最大综合应力位于悬臂梁中部的上弦杆处，最大值为83MPa。右侧是悬臂梁板壳单元结果，最大综合应力无论数值、位置和梁单元计算结果都不一致，其最大综合应力出现在斜腹杆的节点板处，最大值为139MPa。但由图3 可以看出，量取悬臂梁中部上弦杆处的综合应力，其大小为84MPa，这和梁单元计算的结果几乎一致。再比较悬臂梁根部斜腹杆结果，由图4 可以看出，基于梁单元计算的悬臂梁根部斜腹杆的综合应力最大和最小值分42MPa 和20MPa，而基于板壳单元计算的悬臂梁根部斜腹杆的综合应力最大和最小值分别为33MPa 和25MPa，其差别还是比较大的。然而，由图5 发现基于梁单元计算的悬臂梁根部直腹杆的综合应力最大和最小值分别为54MPa 和6MPa，而基于板壳单元计算的悬臂梁根部斜腹杆的综合应力最大和最小值分别为59MPa 和4MPa，计算结果基本相当。
桁架结构的受力特点
桁架结构的受力特点
桁架结构是一种由多个杆件和节点连接而成的三维刚性结构，其受力特点主要表现在以下几个方面：
1. 强度高：桁架结构由多个杆件和节点组成，每个杆件都可以承受拉力、压力以及弯曲力等多种受力形式。因此，整个桁架结构的强度非常高，能够承受大量的荷载。
2. 刚度大：桁架结构的每个节点都是刚性连接，不会发生相对位移。因此，在荷载作用下，整个桁架结构不会产生明显的变形或挠曲，具有很好的刚度。
3. 分布均匀：桁架结构中各个杆件之间分布均匀，使得荷载能够得到合理分配。同时，在荷载作用下，各个杆件之间也会相互支撑和协同工作，从而保证整体稳定性。
4. 可靠性高：由于桁架结构中每根杆件都是独立设计和制造的，并且经过了严格检测和测试，因此其可靠性非常高。即使部分杆件发生损坏或失效，整体结构仍然能够保持稳定。
5. 适用范围广：桁架结构适用于各种不同的场合，包括建筑、桥梁、塔架、天线支架等。由于其受力特点优良，因此在大跨度和高荷载的情况下，桁架结构是一种非常理想的结构形式。
总之，桁架结构的受力特点主要表现在强度高、刚度大、分布均匀、可靠性高以及适用范围广等方面。这些特点使得桁架结构成为了各种工程领域中不可或缺的一部分。
pkpm桁架计算
pkpm桁架计算
PKPM桁架计算
桁架结构是一种常见的工程结构，它由多个杆件和节点组成，具有良好的刚性和稳定性。在工程设计中，我们常常需要对桁架结构进行计算和分析，以确保其安全可靠。PKPM（Peking University
Program for Structure Analysis and Design）是一种常用的桁架计算软件，它提供了便捷的桁架计算方法和结果输出。
一、PKPM桁架计算概述
PKPM桁架计算是一种基于有限元方法的计算工具，通过输入桁架结构的几何参数、材料参数和荷载情况，可以得到桁架结构的应力、位移等重要参数。PKPM桁架计算具有计算速度快、准确性高的特点，被广泛应用于建筑、桥梁、航空航天等领域。
二、PKPM桁架计算的输入参数
1. 几何参数：包括桁架结构的节点坐标、杆件长度、截面形状等。这些参数决定了桁架结构的几何形状。
2. 材料参数：包括杆件的材料弹性模量、截面面积等。这些参数决定了桁架结构的材料性能。
3. 荷载情况：包括静载荷和动载荷。静载荷包括重力荷载、风荷载等，动载荷包括地震荷载等。荷载情况是桁架计算的基础，需要根据实际情况进行合理的选择和计算。
三、PKPM桁架计算的计算步骤
1. 建立有限元模型：根据输入的几何参数和材料参数，建立桁架结构的有限元模型。有限元模型是桁架计算的基础，它将桁架结构离散化为若干个小单元，每个单元内的节点和杆件之间的相互作用通过刚度矩阵表示。
2. 施加荷载：根据输入的荷载情况，施加相应的荷载到桁架结构上。荷载的大小和方向会对桁架结构产生影响，需要进行合理的选择和计算。
3. 计算位移和应力：根据施加的荷载和有限元模型，计算桁架结构的位移和应力。位移表示桁架结构在荷载作用下的变形情况，应力表示桁架结构中杆件的受力情况。
4. 判断安全性：根据计算得到的位移和应力，判断桁架结构的安全性。通常通过比较位移和应力与相应的设计极限值进行判断，如果超过了设计极限值，则需要进行结构优化或增加支撑。
结构的鲁棒性、冗余度和易损性
结构的鲁棒性、冗余度和易损性
任伟新;靳启文
【摘 要】为进一步完善结构的鲁棒性、冗余度和易损性相关分析方法,更加准确地获取土木结构的抗力与外力关系,进而优化补强其薄弱易损部位,以减少结构因抗力不足而引发的损伤甚至是安全事故及其所造成的损失.通过综述结构的鲁棒性、冗余度和易损性分析研究进展,类比不同评价指标的表达形式,从而指出结构的鲁棒性、冗余度和易损性分析的本质含义,提出结构的鲁棒性、冗余度和易损性分析应变能评价指标,并据此对结构的鲁棒性、冗余度和易损性分析之间的关系以及基本影响因素展开研究.结果表明:结构的鲁棒性、冗余度和易损性源于不同时期、不同领域,已有文献大多是基于对其含义的不同程度理解,其评价指标也大多具有主观性、相互关联且计算较为复杂,也尚未提出可广泛接受的分析方法;结构的鲁棒性、冗余度和易损性本质均是反映结构特别是损伤结构抵抗外力作用的能力,其中结构鲁棒性、冗余度侧重结构在外力作用下安全储备或剩余容许能力,结构易损性则更直观反映了结构在外力作用下的破坏程度;结构的鲁棒性、冗余度评价指标具有相似的表达形式,并与易损性呈反比例变化;可通过提高结构构件的材料强度及截面尺寸、增加杆端约束、优化荷载路径等措施增强和提高结构的鲁棒性、冗余度,即降低结构的易损性,进而减少结构损伤甚至是安全事故及其所造成的损失.
【期刊名称】《哈尔滨工业大学学报》
【年(卷),期】2018(050)009
【总页数】10页(P1-10)
【关键词】结构安全;鲁棒性;冗余度;易损性;应变能 【作 者】任伟新;靳启文
【作者单位】合肥工业大学 土木与水利工程学院,合肥230009;合肥工业大学 土木与水利工程学院,合肥230009
【正文语种】中 文
【中图分类】TU31
土木工程结构在长期的自然环境、外部车辆、自然灾害以及人为破坏等荷载作用下，会因为抗力不足出现损伤，如结构的强度降低、刚度退化及稳定性不足等都会导致结构的承载能力下降，进而大大增加服役风险. 一方面，传统的结构设计和分析方法需要进一步完善，如结构的强度、刚度和稳定性分析，以便更加准确获得结构的抗力与外力关系；另一方面，还需要加强结构出现损伤后的性能分析，如结构的鲁棒性、冗余度和易损性，以最大程度地减少结构损伤所造成的损失.
3D3S V10钢管桁架结构分析和计算
6 PKPM软件园地 Building Structure
We learn we go 3D3S10.0钢管桁架结构计算和分析
上海同磊土木工程技术公司3D3S技术部
3D3S V10.0版钢管桁架结构在后处理以及相
贯加工方面增加了一些功能，增加了后处理菜单中
定义、查询、取消杆件顺序号等命令以及相贯加工
菜单，其中包括相贯加工控制参数、杆件下料、生
成法因相贯加工数据、生成国际标准ISO相贯加工
数据等命令。更好地满足了客户对相贯加工参数的
控制以及输出数据的有效利用。
桁架模块适用范围：
适用于任何形式的平面及空间桁架结构；包含
滑移、沉降、弹性等多类支座形式；跨度及具体体
型不限；适用于桁架与多种形式的混合结构：钢柱+
桁架； 框架+桁架； 张拉弦+桁架； 网架+桁架等
等；
下面就来简单介绍一下3D3S 10.0钢管桁架结构的
设计流程：
建模—计算分析以及设计—节点验算—后处理—施工图绘制——相贯加工
图1 3D3S钢管桁架结构模块界面
1 建模
3D3S10.0钢管桁架结构模块是将建模、分析计
算与后处理以及相贯加工结合在一起的有限元分析
设计软件，其目标对象是从其他结构设计软件中导
入并在空间建模中扩充的结构模型以及3D3S中的
自建模型。
可以由一根或者二根或者三根或者四根辅助线段直接生成桁架，或者通过LINE命令画出桁架杆件，或者直接导
入ACAD的桁架模型。
使用结构编辑工具编辑模型构件属性，确定模型的结构体系，
结构体分为四种：平面桁架，平面框架，空间桁架，空间框架。如
图一所示的模型，要把其结构体系定义会空间框架，然后把上部结
构进行单元释放
3D3S10.0钢管桁架结构模块中节点荷载、单元荷载、面荷载、
地震作用、温度荷载、支座位移等自由添加，配合预应力模块，可
进行预张力索构件的添加；
结构体系选择 定义单元释放
荷载库
2 计算分析和设计
1）进行各个工况和组合的内力分析，得到相应的内力和位移；
易损部位损伤导致的结构响应非线性效应
第４２卷第２期
２０１２年３月 东南大学学报（自然科学版）
ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＳＯＵＴＨＥＡＳＴ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ（Ｎａｍｒ￣Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） Ｖ０１．４２ Ｎｏ．２ Ｍａｒ．２０１２
ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—０５０５．２０１２．０２．０２７
易损部位损伤导致的结构响应非线性效应
何顶顶 李兆霞 刘 宇
（东南大学土木工程学院，南京２１００９６）
摘要：为探讨结构的失效机理，研究了结构中易损部位的损伤及其演化过程对结构局部和整体
响应的非线性效应．对桥梁结构中典型的纵向加劲钢桁架的局部损伤破坏过程进行了模拟试验
研究．通过在桁架的局部和整体分别设置力学响应的测试点，同步观测并分析了局部损伤区的应
变分布以及桁架整体挠度的变化规律．研究结果表明：桁架易损部位的损伤演化导致局部应变与
整体挠度响应产生了非线性效应；桁架焊接区域内的材料发生严重塑性损伤，大大加剧了局部应
变分布的奇异性；在各级别损伤程度下，局部应变和整体挠度响应都与易损部位的损伤表现出弱
非线性相关，而应变响应的非线性效应远比挠度响应明显．
关键词：失效机理分析；易损部位；同步测试；局部与整体响应；非线性效应
中图分类号：０３４６．４ 文献标志码：Ａ 文章编号：１００１—０５０５（２０１２）０２—０３３４－０５
Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｄａｍａｇｅ
ｏｎ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｚｏｎｅ
Ｈｅ Ｄｉｎｇｄｉｎｇ Ｌｉ Ｚｈａｏｘｉａ Ｌｉｕ Ｙｕ
（Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｃｉｖｉｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｏｕｔｈｅａｓｔ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｎａｎｊｉｎｇ ２１００９６，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｏｃａｌ ａｎｄ ｇｌｏｂａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｄａｍａｇｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ ｉｎ ｔｈｅ ｖｕｌｎｅｒａｂｌｅ ｚｏｎｅ ｏｆ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ａｒｅ ｓｔｕｄｉｅｄ ｔｏ ｅｘｐｌｏｒｅ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｒｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｕｓｉｎｇ ａ ｗｅｌｄｅｄ ｓｔｅｅｌ ｔｒｕｓｓ ｗｈｉｃｈ ｉｓ ａ ｒｅｄｕｃｅｄ ｓｃａｌｅ ｓａｍｐｌｅ ｏｆ ｔｈｅ ｌｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ ｓｔｉｆｆｅｎｉｎｇ ｔｒｕｓｓ ｔｙｐｉｃａｌｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｌｏｎｇ－ｓｐａｎ ｂｒｉｄｇｅｓ．Ｔｈｅ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ．ｓｕｃｈ ａｓ ｌａｗ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｔ ｔｈｅ ｄａｍａｇｅ ｚｏｎｅ ａｎｄ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｗｈｏｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ａｒｅ ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓｌｙ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ａｎａｌｙｚｅｄ ｄｕｒｉｎｇ ｔｈｅ ｌｏａｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ａｌｌ ｔｈｅ ｎｏｎｌｉｎｅａｒ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｌｏｃａｌ ｓｔｒａｉｎ ａｎｄ ｇｌｏｂａｌ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ａｒｅ ｏｒｉｇｉｎａｔｅｄ ｆｒｏｍ ｄａｍａｇｅ ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ．Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｉｎ ｄａｍ— ａｇｅ ｚｏｎｅ ｐｒｅｓｅｎｔ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｌａｓｔｉｃ ｄａｍａｇｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｎｇｕｌａｒｉｔｙ ｏｆ ｓｔｒａｉｎ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｂｅｃｏｍｅｓ ｗｏｒｓｅ．Ｆｏｒ