基于ansys的人行懸索橋抗風(fēng)索張拉根數(shù)分析

張黎明 馬自鵬 姚增峰

摘要：利用ANSYS有限元分析軟件，建立人行懸索橋模型，進(jìn)行非線性及模態(tài)計(jì)算，分別計(jì)算未施加抗風(fēng)索和施加抗風(fēng)索后的人行懸索橋的橫向振動(dòng)基頻，對比施加不同根數(shù)抗風(fēng)索對人行懸索橋橫向振動(dòng)基頻的影響，確定施加抗風(fēng)索的最佳形式。

關(guān)鍵詞：人行懸索橋；基頻；抗風(fēng)索

人行懸索橋由于結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)較低及施工方便等原因，在山區(qū)及旅游景區(qū)應(yīng)用廣泛。同時(shí)由于城市的快速發(fā)展、道路交通的不斷密集以及滿足城市景觀的要求，人行懸索橋在城市天橋建設(shè)中逐漸得到重視。人行懸索橋?yàn)槿嵝越Y(jié)構(gòu)，在行人及風(fēng)荷載的作用下易產(chǎn)生較大的橫向位移及振動(dòng)，因此需施加抗風(fēng)索來增加其橫向穩(wěn)定性。本文通過具體的例子來分析施加抗風(fēng)索時(shí)所需的最佳根數(shù)。

1 工程背景

某人行橋主跨為175的簡支懸索橋。主跨主纜垂跨比為1/10。主纜采用雙索面布置，索面橫向間距3.4m， 每根主纜由7股符合《重要用途鋼絲繩》（GB_8918-2006）標(biāo)準(zhǔn)的鋼絲繩組成。主纜采用直徑46mm鋼芯鋼絲繩捆扎而成，鋼絲繩彈性模量為1.2×105MPa。

吊桿縱橋向間距為3.0m，吊桿均采用中24mm圓鋼。下端通過M24高強(qiáng)雙螺母錨固于橫梁下端，吊桿上端錨固于索夾上。

加勁梁采用縱橫梁形式，橫梁由兩片通過綴板焊接在一起的[1 6槽鋼組成，橫梁在縱橋向的間距為3.0m，與吊桿對應(yīng)?？v梁采用[10槽鋼，橫向設(shè)12根（包括4根斜撐）。橋面板采用lOcm厚的C30混凝土預(yù)制塊?？v梁上焊接限位角鋼，用以對預(yù)制混凝土人行道板進(jìn)行限位，由于重量很小計(jì)算時(shí)不計(jì)其重量。

2 模型的建立

2.1單元的選擇

利用ANSYS有限元分析軟件建立模型，主纜、吊索及抗風(fēng)索采用LINK10單元模擬，主纜截面積為 ，吊桿截面積為 ，抗風(fēng)索截面積為 。用KEYOPT命令設(shè)置LINK10的屬性為只受拉不受壓。為了精確的模擬縱橫梁截面，利用BEAM188單元可以自定義截面的功能，從CAD導(dǎo)入截面的方式定義縱橫梁截面。橋塔采用BEAM188單元模擬，自定義截面尺寸，截面尺寸為縱橋向1.8m，橫橋向0.8m。采用BEAM188單元模擬橋面板，采用自定義截面的方式定義其橫截面，其截面高0.1m，寬2.965m。各結(jié)構(gòu)的材料特性如下：主纜和抗風(fēng)索彈性模量為 Pa，質(zhì)量密度為5319 N/m4。吊桿和縱橫梁彈性模量為 Pa，泊松比為0.3，質(zhì)量密度為7850N/m4。索塔彈性模量為 Pa，泊松比為0.2，質(zhì)量密度為2600N/m4。橋面板彈性模量為 Pa，泊松比為0.2，質(zhì)量密度為2600N/m4。

2.2邊界條件的模擬

在主纜兩端、抗風(fēng)索錨固端及索塔底部采用完全固結(jié)的方式模擬其邊界。主纜與吊桿之間、吊桿與橫梁之間、縱橫梁之間、橋塔與橋塔橫系梁之間采用共用節(jié)點(diǎn)來模擬其真實(shí)連接，縱橫梁與橋塔之間，橋面板與縱橫梁之間、塔頂與主纜理論交點(diǎn)之間采用耦合節(jié)點(diǎn)的方式連接。

3 橫向振動(dòng)基頻分析

由于懸索橋?qū)儆趲缀畏蔷€性結(jié)構(gòu)，所以在分析時(shí)要定義其非線性控制選項(xiàng)，如：定義靜態(tài)求解、打開大變形與應(yīng)力剛度選項(xiàng)、定義子步數(shù)、輸出結(jié)構(gòu)及求解。進(jìn)行結(jié)構(gòu)模態(tài)分析時(shí)，還要定義相應(yīng)控制選項(xiàng)，如： 定義模態(tài)提取方法、模態(tài)數(shù)目、擴(kuò)展模態(tài)數(shù)，用分塊Lanczos法求解特征值和特征向量，擴(kuò)展特征向量等。

在ANSYS中采用分塊Lanczos法對所建立的有限元模型進(jìn)行自振特性分析之后，得到了模型前十階的自振頻率以及相應(yīng)的振型，本文只列出其第一階橫向振動(dòng)頻率。利用ANSYS中的桿單元模擬抗風(fēng)索，每根施加100KN的初拉力，對人行懸索橋分別施加0、1、2、3對抗風(fēng)索來計(jì)算結(jié)構(gòu)的橫向基頻。計(jì)算得到施加0、1、2、3對抗風(fēng)索時(shí)對應(yīng)的橫向振動(dòng)基頻分別為0.23719、0.41838、0.42118、0.42249。陣型圖見圖1-4。

由計(jì)算結(jié)果可以看出：施加一對抗風(fēng)索后，人行懸索橋的橫向振動(dòng)基頻明顯增加。由此可知施加抗風(fēng)索可以增加人行懸索橋的橫向振動(dòng)基頻，對于控制人行懸索橋的橫向振動(dòng)起到積極的作用。從以上分析結(jié)果可以看出，當(dāng)施加兩對以上抗風(fēng)索時(shí)，對于人行懸索橋的橫向振動(dòng)基頻增加效果逐漸減小，所以施加一對抗風(fēng)索就可以起到很好的穩(wěn)定作用。

4 結(jié)束語

（1）、通過ANSYS有限元分析軟件建立人行懸索橋的模型，分析施加抗風(fēng)索對人行懸索橋橫向振動(dòng)基頻的影響，可知對于人行懸索橋可以通過施加抗風(fēng)索的方式增加其橫向基頻從而增加其橫向穩(wěn)定性能。

（2）、通過對比施加不同組抗風(fēng)索，分析人行懸索橋的橫向振動(dòng)基頻，可以看出對于一般跨徑的人行懸索橋施加一對抗風(fēng)索就可以起到很好的穩(wěn)定作用。

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