基于ANSYS钢桁架桥的静动力分析

基于ANSYS钢桁架桥的静动力分析

黎波含

华北科技学院

摘要：本文采用ANSYS分析程序，对下承式钢桁架桥进行了空间有限元建模;对桁架桥进行了静力分析和动力分析（模态分析），作出了桁架桥在静载下的结构变形图、位移云图、以及各个节点处的结构内力图（轴力图、弯矩图、剪切力图），找出了结构的危险截面，在对桁架桥进行模态分析时，主要绘制出了桁架桥的八阶模态振型图，得出一些结论，这些都为桥梁的设计、维护、检测提供了一些技术参数。关键词：ANSYS；钢桁架桥；模态分析；动力特性

引言：随着现代交通运输的快速发展，桥梁兴建的规模在不断的扩大，尤其是现代铁路行业的快速发展更加促进了铁路桥梁的建设，一些新建的高速铁路桥梁可以达到四线甚至是六线，由于桥面和桥身的材料不同导致其受力情况变得复杂，这就需要桥梁需要有足够的承载力，足够的竖向侧向和扭转刚度，同时还应具有良好的稳定性以及较高的减震降噪性，因此对其进行静动力学分析了解其受力特性具有重要的意义。基于此文中对某下承式钢桁梁桥进行了静动力学分析，初步得到了该桥的一些静动力学结果该结果对桥梁的设计、维护、检测具有一定的指导意义。

1工程简介

某一下承式简支钢桁架桥桥长72米，每个节段12米，桥宽10米，高16米。桥面板为0.3米厚的混凝土板，桁架桥的杆件均使用的是工字型截面但型号有所不同，钢桥的形式见图1，其结构简图见

图2

图1

图2 刚桁架桥简图

所用的桁架杆件有三种规格，见表1

表1 钢桁架杆件规格

杆件截面号形状规格

端斜杆1工字形400X400X16X16

上下弦2工字形400X400X12X12横向连接梁3工字形400X400X12X12

其他腹杆4工字形400X300X12X12

所用的材料属性见表2

表2 材料属性

参数钢材混凝土弹性模量EX 2.1×1011 3.5×10

泊松比PRXY0.30.1667

密度DENS785022500

2 模型构建

将下承式钢桁梁桥的各部分杆件，包括上弦杆、下弦杆、腹杆、

横梁均采用BEAM188单元，此空间梁单元既可以考虑所模拟杆件的轴向变形，又可以考虑所模杆件在两个平面内的弯曲及绕杆件自身轴的扭转; 钢桥面板采用SHELL181，该空间板单元可以考虑在荷载作用下桥面板内所产生的各种应力; 定义了两套材料属性，桥面为混凝土，各类杆件为钢材，其对应的参数如表2所示；根据表1中的杆件规格定义了三种梁单元截面，根据表1分别定义在相应的梁上；建模时直接建立节点和单元，在后续按照先建节点在建杆最后建桥面板的次序一次建模。构建的桁架桥有限元分析模型如图3所示。

边界条件为在梁的支座处即节点24、25施加xyz三个方向的位移约束；在节点13、14处施加yz两个方向的约束；在梁中间两点处即1、2节点处施加集中载荷；最后对全局施加重力。

图3 桁架桥有限分析模型

3 求解分析

（1）静力分析：从桁架桥总位移云图图4中可以看到在集中力作用下桥面位移量中间处最大一次向两侧减小，可知桥的中央处变形最大，为危险的地方；从轴力图图5中可以看出两边靠近支座处四根竖直和四根斜腹杆所受轴力大，其上下弦杆和端斜杆的轴力比较小，所以在静载状态下，可以看出两边靠近支座处四根竖直和四根斜腹杆容易产生疲劳破坏，在对该桁架桥进行强度校核时此处也是重点校核对象；从弯矩图图7中可以看到其上下横向连接梁具有一定的弯矩值，说明在外力的作用下桁架出现扭转与其在静载时的状态有一定的联系；从图6和图7中可以发现桁架杆系结构中杆件的剪力和弯矩相对轴力来说都很小，说以在静载条件下，桁架桥主要受轴力的影响。

图4 桁架桥在集中应下的总位移云图

图5轴力图

图6 剪力图

图7 弯矩图

（2）动力分析：本文采用ANSYS有限元软件对下承式钢桁架桥进行了模态分析，即对其结构系统的振动特性进行了分析，得出了结构的振型见图8和固有频率见表3，这些参数都为结构在承受动载荷作用下的重要参数。可以看出钢桁架桥的主要振动形式有：桁架上部的摆动、弯曲，桥面的扭转、波动起伏。

①从表3可以知道前七阶模态中均未产生明显的扭转，说明桁

架桥的抗扭强度高；

②前三阶比较重要的模态中发现桥面均未产生明显的振动，说

明主要振动表现为桁架上部分的振动，说明动力特性主要依靠上部分桁架，也说明桁架桥面稳定性好，抗振能力强；

③随着阶数的提高，从四阶以后桥面发生了上下起伏、波动、

扭转等一系列的振型并且上部结构的振动与桥面的振动基本是同步的，这说明四阶以后的桁架桥的振动特性主要由桥面振动主导；

④从三阶振型图可以看出桥体发生了横向的弯曲，从四阶振型

图可以看出桥体发生竖直方向的弯曲摆动，这说明该桁架桥的横向刚度不如竖向刚度好。

表3 桁架桥前八阶振动特性计算结果

阶数自振频率振型特征

后摆动

3 2.0860桁架上部水平对称弯曲摆动

4 2.6104竖直方向上整体起伏摆动

5 2.8782桁架部分左右摆动桥面波动

起伏

6 2.8792桁架部分反对称左右摆动桥

面波动起伏

7 2.9969竖直方向上呈左右对称式波

动起伏

8 2.9973桁架反对称式左右摆动加扭

转桥面产生扭转

第一阶

第二阶第三阶

第四阶

第五阶

第六阶

第七阶

第八阶

图8 前八阶模态振型云图

4 结语

采用有限元分析方法，利用ANSYS有限元软件进行了下沉式钢桁架梁进行了静力分析和动力分析得出了静载下总体位移情况，受力特点及其振型和自振频率，根据静力分析得到的结果为桥梁的设计、维护、检测提供技术参数，根据动力特性分析的结果可以比较好的了解桥梁的振动特性，以便更好的利用和减少振动。

参考文献

［1］晏致涛，李正良．大跨度钢拱桥的仿真与模态分析［D］．重庆:重庆大学，2006: 4．［2］李军．斜拉桥 ANSYS 结构动力特性分析［D］兰州: 兰州交通大学，2011:5．［3］郭聪．高速铁路下承式结合桥面钢桁梁桥静动力计算分析研究［D］．成都: 西南交通大学，2009: 11．

［4］占智贵．基于 ANSYS 对大型钢桁桥的模态分析［D］．华南理工大学，2011．［5］孙正华，李兆霞．润扬斜拉桥有限元模拟及模态分析［D］．东南大学 2006: 4．