大跨度钢桁架桥梁结构的模态分析

大跨度钢桁架桥梁结构的模态分析
摘要：随着我国冶钢技术和防腐技术的发展，在桥梁设计中开始越来越多地采用钢结构桥。

大跨度钢桁架桥因为跨越能力较强、造型美观、坚固耐用、有利于现瞻等特点，在工程建设中被越来越多地使用。

本文采用ANSYS有限元分析法，对某一大跨度钢桁架桥进行模态分析，得到该大跨度桥的阵型及频率周期等数值，寻求桥梁结构的变形规律，为今后的抗震性能分析作基础。

关键词：ANSYS；大跨度；刚桁架桥；模态分析
引言
随着我国冶钢技术和防腐技术的发展，在桥梁设计中开始越来越多地采用钢结构桥。

其中刚桁架桥以其架设灵活、结构稳定等特点成为桥梁选型的首选桥型之一。

钢桁架桥以钢桁架形式建造，一般是由钢铁材质焊接成的框架式结构，施工周期短，可以充分利用材料强度和三角形结构的优势，布置灵活，承载能力强，耐久性好。

虽然与连续梁、系杆拱、矮塔斜拉桥等钢结构桥相比，成本略高，因其刚度大、稳定性及抗震性能好成为很多情况首选桥型。

而近几年来大跨度桥梁也飞速发展，大跨度钢桁架桥因为跨越能力较强、造型美观、坚固耐用、有利于现瞻等特点，在工程建设中被越来越多地使用。

因此研究大跨度钢桁架桥的抗震性能具有重要意义。

1 模型建立
1.1 工程概况
某大跨度钢桁架桥，全桥长96m，桥面宽10m，高为16m，桥面板为0.45m 厚的混凝土板。

桥的端斜杆、上下弦、腹杆及横向连接杆均为工字型钢（图1）。

1.2 单元选择
梁单元用beam4来模拟。

它是一个轴向拉压、扭转和弯曲的单元，每个节点有6个自由度，包括3个平动和3个转动自由度。

本单元具有应力刚化和大变形功能。

桥面板单元用shell63来模拟。

1.3 边界条件和加载
结构为简支桁架，左端固定铰支，右端活动铰支。

建立有限元模型。

根据下表1，建立实常数，用ANSYS软件建立有限元模型，该桥的有限元模型如图2所示。

2 模态分析
模态分析是动力学分析中很重要的基础分析，是谐响应分析，瞬态分析及反应谱分析等其他动力学分析的起点。

模态分析一般用来确定结构的振动特性，来计算结构的固有频率和主振型。

这些参数即是结构承受动力荷载作用下的重要参数，同时也是结构其他各类型动力学分析的基础，而在模态分析中，低阶振型对结构起控制作用，文中采用大型通用有限元软件ANSYS，采用子空间迭代法进行桥梁模态分析，计算模态数量取前6阶，计算结果见表2。

在结构动力性能分析中，通常情况下只有结构的前几阶自振频率和阵型起控制作用，所以只需求结构的前几阶自振频率和振型见图3a～f。

由表2和图3a～f可以看出，钢桁架桥体系的动力特性有以下几个特点：
刚桁架桥的第一阶振型以竖向对称弯曲为主，自振频率为0.94053Hz，自振周期为1.0632s。

自振周期长，固有频率低，此振型在刚桁架桥的地震响应中占了很大的比例；刚桁架桥的反对称竖弯出现的比较早，自振频率为 1.3191Hz，自振周期为0.7581s。

此阶振型对钢桁架桥的竖向地震反应影响很大；该钢桁架桥的扭转振型最早出现在第五阶振型，自振频率为 2.7333Hz，自振周期为0.3658s；该桥较早出现的振型是以竖桥向为主，说明该刚桁架桥对竖向地震动作用较为敏感。

3 结语
通过采用ansys软件对此大跨度钢桁架桥梁进行模态分析，得出其自振频率与振型，经分析可知该大跨度钢桁架桥抗扭刚度较大，对竖向地震作用比较敏感，避免产生共振，在使用时应尽力避免使其破坏。

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