車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋應(yīng)力時(shí)變分析

張?bào)匏?，何曉暉，高磊，張?/p>

（1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007；2.成都軍區(qū)善后辦公室房管局，四川成都610017）

車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋應(yīng)力時(shí)變分析

張?bào)匏?，何曉暉1，高磊1，張宇2

（1.解放軍理工大學(xué)野戰(zhàn)工程學(xué)院，江蘇南京210007；2.成都軍區(qū)善后辦公室房管局，四川成都610017）

為分析車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋應(yīng)力時(shí)變特性，建立了車輛荷載模型和鋼桁架橋三維有限元模型，利用ANSYS仿真分析技術(shù)對(duì)鋼桁架橋進(jìn)行車輛荷載的通載加載，得到整橋的應(yīng)力云圖和各桿件最大應(yīng)力的時(shí)程曲線；相同條件下，得到了多次通載下單元的最大應(yīng)力時(shí)變規(guī)律，為鋼桁架橋的承載力時(shí)變分析提供了一定的仿真依據(jù)。

鋼桁架橋；車輛荷載；仿真；應(yīng)力；時(shí)變

裝配式鋼桁架橋[1]是一種能快速架設(shè)、撤收，且靈活機(jī)動(dòng)的移動(dòng)式橋梁，其具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能夠承受的最大荷載的級(jí)別高、互換性好以及地形適應(yīng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)。裝配式鋼桁架橋不僅在軍事運(yùn)輸、搶險(xiǎn)救災(zāi)等方面具有重要作用，在平時(shí)的交通工程建設(shè)保障中也發(fā)揮著重要作用。車輛荷載作為鋼桁架橋的主要承受載荷，橋梁結(jié)構(gòu)在各種車輛載荷的作用下，橋梁的應(yīng)力會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化。本文利用ANSYS對(duì)裝配式鋼桁架橋進(jìn)行通載仿真分析，以分析橋梁應(yīng)力的時(shí)程變化情況。

1分析模型的建立

1.1 車輛荷載模型

當(dāng)車輛在橋梁上通行時(shí)，車輛和橋梁會(huì)產(chǎn)生耦合振動(dòng)作用，合理的車輛荷載模型[2]能盡可能的反映車輛真實(shí)的物理特征，同時(shí)也不會(huì)使計(jì)算量大幅增加。王少欽[3]在比較了移動(dòng)荷載模型和移動(dòng)質(zhì)量模型后，得出如下結(jié)論：車輛質(zhì)量與橋梁質(zhì)量相比很小或車輛質(zhì)量相對(duì)較大但車速較低時(shí)，可使用移動(dòng)荷載來(lái)模擬車輛過(guò)橋時(shí)的動(dòng)力作用；而當(dāng)車輛質(zhì)量相對(duì)較大且速度較高時(shí)，必須用移動(dòng)質(zhì)量來(lái)模擬以確保模型的正確性。

本文的車輛荷載選取重量為60 t的某履帶式荷載，質(zhì)量相比于橋梁較大，通行速度5 km/h相對(duì)較小，因此可以將車輛模型簡(jiǎn)化為移動(dòng)常量力模型如圖1所示。

圖1 移動(dòng)常量力模型

1.2 橋梁有限元模型

用參數(shù)化建模[4]的方式在ANSYS中建立橋梁三維模型，橋梁長(zhǎng)度51m，由六個(gè)橋節(jié)組成，橋節(jié)之間采用耦合連接。材料為DB685鋼，屈服強(qiáng)度為590 MPa，材料容重為7.85×10-5N/mm2，彈性模量為E=2.1×105N/mm2.上下弦桿采用beam188單元，其余桿件采用桿單元Link8.建立模型時(shí)不考慮橋面板，兩端各留出兩米作為支撐，得到的橋梁整體模型如下圖2所示。

圖2 橋梁整體模型

桁架結(jié)構(gòu)部分由5種桿件組成，分別是上弦桿1、上弦桿2、斜腹桿、直腹桿和下弦桿。桿件具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 各桿件結(jié)構(gòu)示意圖

2裝配式鋼桁架橋應(yīng)力時(shí)程分析

對(duì)裝配式鋼桁架橋進(jìn)行單次通載瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)[5]仿真分析，載荷為60 t，通載速度5 km/h，載荷步設(shè)置為自動(dòng)時(shí)間步，步數(shù)設(shè)置為46步，打開(kāi)大變形開(kāi)關(guān)，得到整橋的應(yīng)力云圖如圖4所示。

圖4 整橋應(yīng)力云圖

從圖4可知，橋梁從兩邊越向中間桿件應(yīng)力越大，最大應(yīng)力桿件出現(xiàn)在橋梁中間的下弦桿處。從結(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，下弦桿處于倒三角桁架結(jié)構(gòu)中的最下方，是主要的承力結(jié)構(gòu)，承受荷載時(shí)受到兩邊的拉扯作用，因此承受最大的受拉應(yīng)力。進(jìn)一步提取各個(gè)桿件的最大應(yīng)力時(shí)程曲線如圖5所示。

圖5各桿件最大應(yīng)力時(shí)程曲線圖

圖5 進(jìn)一步解釋了應(yīng)力云圖中應(yīng)力的分布情況，可知桿件2和桿件3收到拉應(yīng)力作用而其余的3個(gè)桿件都受到壓應(yīng)力作用。桿件3的應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其它桿件而且桿件3的動(dòng)態(tài)響應(yīng)也明顯大于其它桿件，由于裝配式鋼桁架橋?qū)儆诔o定結(jié)構(gòu)，在分析應(yīng)力時(shí)變時(shí)可以選擇最不利桿件為研究對(duì)象，因此通過(guò)應(yīng)力的時(shí)程分析可知下弦桿可以作為最不利桿件。

3裝配式鋼桁架橋最大應(yīng)力時(shí)變分析

通過(guò)桿件時(shí)程分析可知最大應(yīng)力位于橋梁中間的下弦桿處，提取附近單元的的應(yīng)力值得到最大應(yīng)力單元為362單元，其應(yīng)力時(shí)程曲線圖如圖6所示。從圖中可知應(yīng)力數(shù)值并不完全符合光滑的曲線，這是由于車橋耦合振動(dòng)下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)[6]導(dǎo)致應(yīng)力值出現(xiàn)范圍波動(dòng)情況，數(shù)值的偏差性從另一個(gè)方面也反映出橋梁動(dòng)態(tài)響應(yīng)的高低程度。

圖6 362單元應(yīng)力時(shí)程曲線

一般來(lái)說(shuō)裝配式鋼桁架橋在車輛荷載的反復(fù)作用下，橋梁會(huì)出現(xiàn)疲勞效應(yīng)從而導(dǎo)致橋梁整體的承載力會(huì)出現(xiàn)下降，反映在個(gè)各桿件上則是桿件應(yīng)力值的增加。桿件在長(zhǎng)期荷載的作用下鋼材屈服強(qiáng)度下降，在同樣荷載下，桿件需要承受更大的應(yīng)力作用。為了掌握橋梁應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，以362單元為例，多次通載下單元的應(yīng)力時(shí)程曲線圖如圖7所示。

圖7 多次通載下362單元應(yīng)力時(shí)程曲線圖

可以看出，隨著通載次數(shù)的不斷增加，每一時(shí)刻的單元應(yīng)力值也相應(yīng)的增加，從絕對(duì)數(shù)值上來(lái)說(shuō)增加數(shù)值相對(duì)原本應(yīng)力值較小，這是因?yàn)殇摬牡那?qiáng)度高，剛性較好，應(yīng)力基數(shù)大增長(zhǎng)相對(duì)比較緩慢。但從相對(duì)角度上來(lái)說(shuō)，單元應(yīng)力值的小幅增加對(duì)鋼材也有很大的影響，特別是對(duì)于某些關(guān)鍵連接部位，應(yīng)力值的增加會(huì)使結(jié)構(gòu)的集中應(yīng)力陡然增加，極大的危害橋梁結(jié)構(gòu)的安全性能，因此有時(shí)在進(jìn)行橋梁受力分析時(shí)需要以最大應(yīng)力作為安全標(biāo)準(zhǔn)，車輛荷載多次通載下的橋梁最大應(yīng)力時(shí)變曲線如圖8所示。

圖8 最大應(yīng)力時(shí)變曲線圖

通過(guò)結(jié)果可以看出最大應(yīng)力隨著通載次數(shù)的增加逐步增加，應(yīng)力最大增幅達(dá)到了5.05%，且隨著次數(shù)增加應(yīng)力增長(zhǎng)的速度也逐漸變快，可以預(yù)測(cè)的是當(dāng)應(yīng)力增加至某一個(gè)臨界時(shí)刻值，過(guò)大的應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致鋼材的應(yīng)力破壞進(jìn)而使橋梁結(jié)構(gòu)失效，通常也就是說(shuō)達(dá)到了橋梁的使用壽命。因此最大應(yīng)力時(shí)變曲線圖可以從一定程度上反映橋梁的承載力變化情況，給橋梁的承載力時(shí)變?cè)u(píng)估[7]提供了一定的仿真依據(jù)。

4結(jié)束語(yǔ)

對(duì)車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋進(jìn)行時(shí)變分析，有助于分析荷載通載過(guò)程中橋梁整體受力的變化情況，對(duì)掌握橋梁受力的時(shí)變規(guī)律，揭示潛在的荷載危險(xiǎn)，指導(dǎo)橋梁通行規(guī)則的制定提供了有力的分析依據(jù)，具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

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Time-Varyingstress Analysis Based on Vehicle Load of Prefabricated Truss Bridge

ZHANG Yun-song1，HE Xiao-hui1，GAO Lei1，ZHANG Lei2
（1.College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.Housing Authority of the Chengdu Military Region Rehabilitation Office，Chengdu 610017，China）

In order to analyzing time-varyingstress properties of a prefabricated truss bridge under the influence of vehicle load，first we built a Vehicle load model and a 3-D finite model of the truss bridge.Using the ANSYS technology of simulation-analysis to loading vehicle load on the truss bridge，which provided stress cloud of the whole bridge and the maximum stress time-history curve of every pole；under the same condition，which provided time-vary law of the maximum stress based on multiple loading，which can provide simulation basis of time-varying bearing capacity for truss bridge.

truss bridge；vehicle load；simulation；stress；time-varying

TH 123.4

A

1672-545X（2016）12-0021-03

2016-09-09

張?bào)匏桑?992-），男，江西贛州人，碩士研究生，主要從事軍事裝備技術(shù)研究；何曉暉（1975-），男，河北深澤人，博士，副教授，研究方向?yàn)楣こ萄b備與技術(shù)研究。