基于ANSYS的桁架結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)分析

江北大　劉治宏　蔡曉紅

地震是造成橋梁破壞的重要原因之一。為降低地震造成的損失，需要對(duì)橋梁的地震響應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的分析，使橋梁在設(shè)計(jì)上滿足抗震要求。

80m下承式簡(jiǎn)支鋼桁架橋在鐵路工程中被廣泛使用。設(shè)某橋跨度為80m，寬度為24m，高度為13m，兩側(cè)橋墩為重力式，桿件截面為H型，由兩塊豎板和一塊橫板焊接而成，如圖1所示，圖中1為上下弦桿，2為端斜桿，3為豎桿，4為腹桿。豎向活載采用鐵路標(biāo)準(zhǔn)活載。

1 ANSYS分析方法

1.1 譜分析技術(shù)

譜分析技術(shù)是一種將模態(tài)分析結(jié)果與一個(gè)已知的譜聯(lián)系起來(lái)，然后計(jì)算模型的位移和應(yīng)力的分析技術(shù)。主要用于確定結(jié)構(gòu)在隨機(jī)載荷或時(shí)間變化載荷作用下的動(dòng)力響應(yīng)，如地震、風(fēng)載等。ANSYS的譜分析方法主要有：?jiǎn)吸c(diǎn)響應(yīng)譜分析，多點(diǎn)響應(yīng)譜分析，動(dòng)力設(shè)計(jì)分析，功率譜密度分析。

1.2 瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析也稱(chēng)時(shí)間歷程分析，可以用來(lái)分析結(jié)構(gòu)在承受任意的、隨時(shí)間變化的載荷作用時(shí)的動(dòng)力響應(yīng)。有如下三種方法：

1）Full法：采用完整的系統(tǒng)矩陣計(jì)算瞬態(tài)響應(yīng)，允許有結(jié)構(gòu)非線性特性。

2）Reduced法：采用主自由度及縮減矩陣壓縮問(wèn)題規(guī)模，先計(jì)算主自由度位移，然后將其擴(kuò)展到初始的完整自由度上。

3）Mode Superposition法：通過(guò)模態(tài)分析得到的振型，再乘以參與因子并求和來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。

2建立有限元模型

2.1 單元的選擇

空間結(jié)構(gòu)使用梁?jiǎn)卧狟EAM188模擬，該三維單元適用于分析細(xì)長(zhǎng)的梁。元素基于Timoshenko梁理論，具有扭切變形效果，此元素能很好的應(yīng)用于線性分析以及大偏轉(zhuǎn)、大應(yīng)力的非線性分析。

2.2 材料的屬性

所設(shè)計(jì)的H型截面桿件，其相關(guān)參數(shù)如圖1所示，并設(shè)置E=2.0e+11、μ=0.3、ρ=7850kg/m3。

2.3 建立空間幾何模型

根據(jù)圖1所示桁架橋結(jié)構(gòu)，在ANSYS中建立空間有限元模型。共40個(gè)節(jié)點(diǎn)，94個(gè)單元。

3地震波瞬態(tài)分析

3.1地震波參數(shù)

采用El Centro地震波進(jìn)行模擬分析，其時(shí)程曲線如圖2所示。

3.2地震波的加載求解

在ANSYS的工作目錄下建立地震波的時(shí)間-加速度的txt文件。然后采用時(shí)程分析法中的Full法，比例阻尼值設(shè)置為0.05，地震波時(shí)間設(shè)置為16秒，時(shí)間間隔設(shè)置為0.02秒，每個(gè)加載步的加載形式為ramp，每個(gè)加載步分為10個(gè)子步，使用命令流求解得到結(jié)果。

3.3查看結(jié)果

在時(shí)間后處理器中，選擇跨中上下節(jié)點(diǎn)node1和node3的Z方向的兩個(gè)變量。node1和node3的Z方向的位移響應(yīng)的比較如圖3所示，如圖所示，兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的響應(yīng)曲線基本上重合，表明兩節(jié)點(diǎn)間的位移響應(yīng)無(wú)遲滯效應(yīng)。

4結(jié)論

本文利用BEAM188單元建立桁架橋空間有限元模型，對(duì)其在El Centro地震波作用下進(jìn)行了瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算結(jié)果表明節(jié)點(diǎn)間位移沒(méi)有發(fā)生遲滯效應(yīng)，說(shuō)明結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是合理的。

（作者單位：陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)?；A(chǔ)部機(jī)械基礎(chǔ)教研室）