基于C++ 的橋梁結構溫度應力算法研究

李秋宇

（重慶交通大學，重慶400074）

1 概述

作為一種建筑材料，混凝土已有一百多年的歷史。由于易于加工和形成，所以具有良好的耐久性，低成本和便利性。隨著大跨度混凝土箱形橋的不斷優化發展，熱應力及其損傷對橋梁結構的影響越來越受到技術領域的重視和研究。因此，在橋梁施工中，應重視和充分考慮到溫度應力對于橋梁結構的影響。

2 橋梁結構溫度荷載的形成和特點

2.1 橋梁結構溫度荷載的形成

長期處于自然環境影響中的混凝土結構，其結構會隨著大氣溫度的變化而產生變化，包括太陽輻射、冷流、雨、雪以及其他各種氣象因素。

在混凝土中，水泥不僅在彈性模量上不同，而且在溫度和濕度下的變形特性也不同。考慮微觀結構的不均勻性，就物理和機械性能而言，混凝土不是連續體，因此，混凝土的導熱性相對較差。

2.2 橋梁結構溫度荷載的特點

（1）日照溫度變化。太陽光對橋梁溫度的影響是非常復雜的，太陽輻射溫度變化引起的橋梁結構表面和內部溫度變化，是一個變化復雜的函數關系。

（2）驟然降溫溫度變化。溫度突然下降的主要原因有兩個：一是橋梁結構受冷空氣的影響，結構外表面迅速冷卻，結構內部溫度高，溫度分布低。另一個是由于氣壓引起的溫度過低，結構的外表面的溫度迅速降低，并且結構的內表面的溫度幾乎不變，這在外部的高處和低處的內部形成了較大的溫度差。

（3）年溫變化。在橋梁的混凝土結構中，由于長期的溫度變化影響，使橋梁的結構受到一種長期的緩慢影響，這使得整個橋梁結構的溫度變化是均勻的。

3 基于C++的橋梁結構溫度應力算法

3.1 溫度梯度模式選取

首先用戶通過充分利用和結合現有混凝土材料的彈性模量、密度、泊松比、線性標準膨脹系數等特性進行溫度梯度模式選取，并將相關數據臨時存儲在臨時文件中。

混凝土溫度應力計算器一共能夠提供十個溫度梯度，包括八個垂直溫度梯度分布和兩個橫向溫度梯度分布。一些溫度梯度模式，例如圖1 中的A，B，C，D，E，F，G，H，I，需要輸入參考溫度，即圖中的最高溫度T℃；而圖1 中D，E 可以直接確定溫度參考值，不需要輸入，選擇原理是根據相應的規定。

圖1 溫度梯度模式

3.2 溫度截面分析

圖2 截面分析流程圖

應根據截面形狀分析溫度梯度的位置。溫度分區的出現主要是由于讀取其中NAME.SECT 文件進行分析，其中NAME 代表分區號。扇區本文件由三部分組成：第一部分是概述，節中節點和項目的總數；第二部分在該節的元素之上，在元素排列之后，每個元素中的節點列出了相應的材料屬性的數量和屬性；第三部分在節節點之上零件對應節點的順序是每個節點的坐標列出了基本分析流程如圖2 所示。之后要讀取截面信息，重復每個截面單元計算每個單元的中心點坐標，然后使用指定的溫度曲線和參考溫度圖，為了得到位置溫度值，并將其與參考溫度進行比較，根據混凝土材料的線膨脹系數的比值和數值調整線膨脹系數的值，并確保線性膨脹系數的值存在于矩陣中。

3.3 算法實現

完成單位循環后，得到了一系列的材料性質，并根據材料的屬性矩陣對NAME.SECT 進行修改，扇區部門要素信息第二部分對應的物料屬性號顯示在實際計算的物料屬性號上這是材料特性矩陣存儲在一個文件中，以便在識別未來的有形材料時可以調用它；此外，段數和參考溫度存儲在溫度荷載池中，因此，溫度荷載將被稱為將來的荷載可以。那個以上功能主要通過創建動態鏈接庫文件來實現，通常有六個步驟：

（1）建立與ANSYS 相容的C++源代碼。首先要建立C++源代碼，如果有必要的情況下，可以通過調用ANSYS 中cAnsys Interface.h,cAnsQuery.h 和cAnsPick.h 中事先定義好的接口程序，以外部命令的形式，對這些程序進行應用和實現。

（2）建立外部導出函數的定義文件。本次算法中的導出功能是ANSYS 主程序，它是一種應用程序，并作為動態鏈接庫（DLL）和導出函數DLL 之間的接口點。外部應用程序只能對DLL 的導出函數進行調用，但是不能對其內部函數進行直接調用。

導出函數必須在配置文件中聲明這些是圖元文件的后綴為" .Def"。并應添加到項目工作目錄中，文件格式應在第一行包含關鍵字" EXPORTS"，要導出的函數的名稱可以連續寫在下面。具體可參考以下示例:

關鍵詞:EXPORTS

輸出函數名稱:EXTFUNC

（3）建立動態鏈接庫文件。通過優化合格改進這些源程序和配置文件，可以通過運用Visual C ++開發工具，對項目文件進行編譯和生成，并且可以直觀的看到在項目目錄中創建的動態鏈接庫文件(ProName.Dll,ProName 為項目名稱)。

（4）建立外部命令列表文件。"ans ext.tbl"是外部數據表文件，它包括ANSYS 能夠訪問的任何通用數據函數。ANSYS 軟件對于這些常用數據函數的數量沒有任何限制，此文件中的DLL文件格式設置如下：

DLL 文件在文件系統中的位置：D:mydirProName.Dll

調用ANSYS 時的名稱：-V ex Name

函數在源程序中的名稱：extfunc

（5）設置ANSYS 外部命令環境變量。在對ANSYS 程序實行啟動命令之前，必須對外部命令環境變量ANSYS EXTERNAL PATH 進行指定，使它能夠指向和包含外部命令列表文件（ans ext.tbl）的文件夾，該文件的位置如果位于目錄" D： Mydir "中，則可以對其環境變量進行調整，調整可以使用以下字符串對文件夾進行引用:

set ANSYS_ EXTERNAL_ PATH=D:Mydir

（6）使用、調試和重新設置外部命令。因此，可以直接在ANSYS 界面輸入指定的外部命令名，并使用DLL 文件中的導出函數來創建新函數。這些是在ANSYS 的外部過程中也可以參考其他程序實現其特定的命令。

在ANSYS 中，提供了調試命令"-DEDUG" 和設置命令"-RESET"。"-DEDUG"調試命令可以檢查ANSYS 調用的外部命令的內容和狀態，"-RESET" 設置命令則可以使所有共享鏈接庫文件關閉，并同時對它們的內存空間進行清空。

3.4 程序界面規劃

在對橋梁混凝土結構的溫度應力進行計算時，所需接口也可分為兩個模塊，第一部分是預處理，包括混凝土材料性能的定義和截面的溫度梯度分析。第二部分是計算部分，包括單位溫度載荷以及混凝土材料的界定。可以看到主界面的刪除行部分包含編程程序接口所需的所有模塊。底部菜單主要包括兩種不同類型，一種是僅執行命令操作的菜單，另一種是對話框中的彈出式菜單。在程序的主界面中，"Define Material" 命令和"Define Load"命令僅能夠實行執行操作的執行功能，并且不會出現對話框。底部菜單的其余部分將出現在對話框中，允許用戶輸入某些參數。

4 結論

本研究以橋梁結構的溫度載荷分布作為出發點，闡述和探討國內外規范中對于溫度載荷的分布規律，通過運用合適的程序計算方法，在ANSYS 程序中實現橋梁混凝土結構溫度梯度的計算功能，并將該種算法與傳統的結構力學計算方法進行系統的比較。橋梁混凝土結構在長度方向和橫截面方向的長度有很大的變化。通常，可以假設在橋的長度方向上的溫度分布是相同的，并且省略了水平方向上的溫差的影響。在小梁的情況下，經常會省略斷面水，僅考慮垂直方向的溫差影響。對于梁，根據垂直和水平方向的一維情況計算溫度差應力。