基于ANSYS平臺(tái)的斜拉橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

苗明臣

（沈陽鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽110013）

基于ANSYS平臺(tái)的斜拉橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

苗明臣

（沈陽鐵道勘察設(shè)計(jì)院有限公司，沈陽110013）

隨著橋梁結(jié)構(gòu)跨度的不斷增加，大量問題隨之而來，其中橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性以及在抗震、抗風(fēng)和車輛荷載的沖擊振動(dòng)等動(dòng)力學(xué)問題日益突出。斜拉橋與其他一般梁式橋在結(jié)構(gòu)體系、材料受力性能等方面都有顯著的差異，且在抗風(fēng)、抗震性能等均有其自身的特點(diǎn)。論文在收集有關(guān)動(dòng)力學(xué)及斜拉橋資料的基礎(chǔ)上，研究斜拉橋結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，通過ANSYS軟件建立了空間有限元模型，進(jìn)行了斜拉橋的三維空間模型仿真分析。對(duì)斜拉橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析中，模擬分析了橋梁在移動(dòng)載荷激勵(lì)、風(fēng)致激勵(lì)和地震激勵(lì)下的動(dòng)力響應(yīng)，并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析。

斜拉橋；動(dòng)力響應(yīng)；ANSYS

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.011

1 引言

近年來，大跨度橋梁在其結(jié)構(gòu)、建筑造型以及經(jīng)濟(jì)方面都得到了很大的發(fā)展，越來越受到人們的青睞，隨著橋梁設(shè)計(jì)理論的不斷完善、計(jì)算機(jī)技術(shù)的廣泛應(yīng)用以及有限元理論分析的快速發(fā)展，對(duì)大跨度橋梁在運(yùn)行中外荷載作用下的動(dòng)力行為也越來越受到人們的關(guān)注，因此對(duì)大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)研究就顯得日益迫切。

2 ANSYS在動(dòng)力學(xué)仿真分析的基本方法

模態(tài)分析主要用于決定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，這是動(dòng)態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的主要內(nèi)容。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識(shí)別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動(dòng)特性分析、振動(dòng)故障診斷和預(yù)報(bào)以及結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供依據(jù)。為進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析，需對(duì)ANSYS程序中有關(guān)的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行理解，從而充分理解其計(jì)算的理論基礎(chǔ)和結(jié)果的真?zhèn)危Y(jié)構(gòu)模態(tài)分析和ANSYS程序中瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析包含完全法、模態(tài)疊加法、縮減法3種方法[1～4]。

3 斜拉橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析

斜拉橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)在風(fēng)荷載、地震荷載及其他動(dòng)荷載下的影響較大，這些激勵(lì)源對(duì)結(jié)構(gòu)的安全有很大的影響，雖然地震作用對(duì)橋墩及基礎(chǔ)影響較大，但對(duì)梁自身的影響也不能忽略，所以，橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析在這些激勵(lì)源作用下的研究是很有必要的[5～8]。

3.1 工程概況

下面研究斜拉橋在風(fēng)荷載、地震荷載及移動(dòng)荷載等激勵(lì)源作用下的動(dòng)力響應(yīng)。

結(jié)構(gòu)尺寸。主跨：360 m邊跨：174 m 橋?qū)挘?8 m；主塔全高：165 m；主塔采用倒Y結(jié)構(gòu)。

斜拉索沿主梁布置，每6m一根。斜拉索從主塔頂向下依次布置，間距為18m，共設(shè)置4個(gè)張拉節(jié)點(diǎn)，且上邊三個(gè)節(jié)點(diǎn)采用7條拉索，最下方采用8條拉索，并且在塔的倒Y分叉點(diǎn)張拉1條拉索，塔上張拉共計(jì)117條。

橋梁索塔底部全部約束，拉索單元與梁?jiǎn)卧赐耆q考慮，橫梁在索塔處考慮豎向及橫向兩個(gè)方梁?jiǎn)卧o予完全鉸約束。橋梁端部小里程側(cè)考慮豎向和橫向的平移自由度約束，大里程側(cè)僅給予橫向的平移自由度約束。

3.2 橋梁模型

橋梁計(jì)算模型按空間魚刺式考慮，且截面的幾何特性及質(zhì)量簡(jiǎn)化在主梁上，橫梁為剛性。全橋結(jié)構(gòu)模型如圖1所示。

圖1 全橋結(jié)構(gòu)模型

主梁結(jié)構(gòu)在主塔和梁端釋放縱向約束，假設(shè)梁為全漂浮狀態(tài)。

3.3 模態(tài)分析

計(jì)算分析得到前10階頻率，如表1所示，這里只提取幾個(gè)適當(dāng)?shù)恼裥驼f明問題，第一階為主跨橫向彎曲，第二階為全橋縱向平移，到了第六階就開始處于豎向撓曲振動(dòng)了。

表1 前十階頻率

3.4 復(fù)雜激勵(lì)下的響應(yīng)分析

移動(dòng)載荷mg=2000kg，則簡(jiǎn)諧力F=F1cos（ωt）=1000cos（10t），移動(dòng)速度υ=120km/h。風(fēng)載荷取為橫橋向全截面作用的常振幅正弦力，在整個(gè)結(jié)構(gòu)上每點(diǎn)風(fēng)載荷都是同相位的。風(fēng)力方向垂直于主梁且平行于橋面，最大風(fēng)壓大小取4000N/m，即P= 50sin（1.5t）。

可以看到當(dāng)時(shí)間大約在2.8s時(shí)，最大絕對(duì)值位移為0.284795m。

通過以上分析可以得到，在存在復(fù)雜激勵(lì)源的條件下，主梁?jiǎn)卧Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的振動(dòng)效應(yīng)，橋梁近似一個(gè)連續(xù)支撐體系，各個(gè)拉索均產(chǎn)生不同頻率的振動(dòng)，其振動(dòng)情況比較復(fù)雜，從而得到的曲線呈不規(guī)則狀態(tài)，該結(jié)論從得到的曲線上可以看到。

4 結(jié)論

1）通過ANSYS模擬分析表明，輔助橋墩的建立對(duì)豎向剛度提高起到重要作用，網(wǎng)格單元粗細(xì)劃分對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性影響不大。

2）在載荷激勵(lì)下，橋梁將產(chǎn)生變形和振動(dòng)，且其應(yīng)力也會(huì)發(fā)生變化。外荷載作用產(chǎn)生的這種動(dòng)力效應(yīng)必須得到重視，如果在最不利的位置產(chǎn)生共振，那么該位置就會(huì)產(chǎn)生較大的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，直接威脅到橋梁結(jié)構(gòu)的安全。

3）通過分析可以看出，通過ANSYS有限元軟件對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)分析是可行的，可以真實(shí)的反映結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果，為工程實(shí)踐起到了指導(dǎo)作用。

【1】王國(guó)強(qiáng).實(shí)用工程數(shù)值模擬技術(shù)及其在ANSYS中的應(yīng)用[M].西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社，1999.

【2】文坡.金江金沙江大橋斜拉橋動(dòng)力特性分析[D].成都:西南交通大學(xué),2005.

【3】李國(guó)豪.主編.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京：中國(guó)鐵道出版社,2002.

【4】王勖成，邵敏.有限元基本原理和數(shù)值方法(第2版)[M].北京:清華大學(xué)出版社,1998.

【5】姜?jiǎng)P.大跨度混凝土斜拉橋動(dòng)力分析[D].成都:西南交通大學(xué)，2009.

【6】郭乙木，陶偉明，莊茁.線性與非線性有限元及其應(yīng)用[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

【7】郝文化.ANSYS土木工程應(yīng)用實(shí)例[M].北京:中國(guó)水利水電出版社, 2005.

【8】張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計(jì)算手冊(cè)[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，1990.

AnalysisonStructure Dynamic Response ofCable-stayedBridgesBasedonANSYSPlatform

MIAO Ming-chen
(ShenyangRailwaySurvey&DesignInstituteCo.Ltd.,Shenyang 110013,China)

Withtheincreasingstructuralspanofthebridges,manyproblemshaveappeared,amongwhichfreevibrationcharacteristicsandthe dynamic problems such as earthquake resistance,wind resistance and vibration of vehicle load are severe in chief.Cable-stayed bridges have apparentdifferencesfromothercommonbeambridgesinstructuresystem,materialstressbehaviorandsoon.Theyarealsouniqueinwindand earthquake resistance.On the basis of data related to dynamics and cable-stayed bridges,this paper studies the structural characteristics of cable-stayedbridges,establishes3-DfiniteelementmodelwithsoftwareANSYSandconductssimulationanalysisofthethreedimensionalspace model.Inthestructuraldynamicanalysis,thispapersimulatesthepowerresponsesofthebridgesunderthemotionloaddrive,thewinddriveand theearthquakedrive,andtheresultsareanalyzed.

cable-stayedbridge;dynamicresponse;ANSYS

U448

A

1007-9467（2016）10-0025-02

2016-09-20

苗明臣（1982～），男，遼寧沈陽人，工程師，從事橋梁結(jié)構(gòu)及巖土工程設(shè)計(jì)。