王恒星+孫碩+何宏基+王紹全

摘 要：以某鋼桁架橋作為基本模型，運用有限元分析軟件其建立了三位有限元模型，施加約束荷載進行計算，分析了鋼桁架橋在外界溫度為-20℃和40℃的兩種情況下的應(yīng)力以及變形的差異。分析結(jié)果表明：當(dāng)外界溫度升高，鋼桁架橋的各個桿件以及節(jié)點處的應(yīng)力以及變形都有較大的變化，所得到結(jié)論可以為橋梁工程設(shè)計提供相關(guān)的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：溫度；應(yīng)力；變形；ansys

鋼桁架橋是一種常見鐵路、公路橋型。在低溫高寒地區(qū)鋼桁架橋由于外界溫度變化會產(chǎn)生一定的應(yīng)力及變形，這對橋梁結(jié)構(gòu)的耐久性是非常不利的。本文立足于探求外界溫度變化對于鋼桁架橋的影響，研究了鋼桁架橋在-20℃和40℃時的溫度變化下的應(yīng)力以及變形的變化，并從應(yīng)力云圖和位移云圖中得到相關(guān)結(jié)論。

1 有限元模型的建立

通過ansys對橋梁結(jié)構(gòu)進行靜力分析的時候，首先應(yīng)該建立相應(yīng)的有限元計算模型，這也是在有限元分析中非常關(guān)鍵的一步。本例為一個跨度為72m的鋼桁架橋，上、下弦梁以及橫梁主要是由鋼材組成。本例的單元采用材料庫中的beam3、link8、shell63單元。對人字形鋼桁架進行模型建立，并劃分網(wǎng)格施加約束進行求解。本結(jié)構(gòu)對橋梁結(jié)構(gòu)作簡支約束處理，施加荷載為結(jié)構(gòu)重力荷載，鋼桁架橋的有限元模型如圖1所示。

圖1 鋼桁架橋有限元模型

2 溫度變化對鋼桁架橋應(yīng)力影響分析

定義鋼桁架的線膨脹系數(shù)為1.2e-005，混凝土的線膨脹系數(shù)為1.0e-005，為模擬外界溫度變化，將材料的參考溫度首先設(shè)定為-20℃，對結(jié)構(gòu)求解后在通用后處理中查看結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖（如圖2a所示）；然后將材料的參考溫度設(shè)定為40℃，對結(jié)構(gòu)進行求解以后查看溫度升高后的應(yīng)力云圖（如圖2b所示）。

圖2 不同溫度下鋼桁架應(yīng)力云圖

從圖2中的鋼桁架橋在不同外界溫度下的應(yīng)力變化非常巨大。結(jié)合應(yīng)力云圖（圖2），可以得到以下結(jié)論：（1）在兩種外界參考溫度下，鋼桁架橋應(yīng)力的最大值均出現(xiàn)在質(zhì)點處，最小值均出現(xiàn)跨中處，盡管應(yīng)力極值點在位置上無太大變化，但數(shù)值上有較大改變，在-20℃時的最小應(yīng)力為1.03 Mpa，最大應(yīng)力為8.79 Mpa。在外界溫度為40℃時，最小應(yīng)力為1.24Mpa，最大應(yīng)力為16.7Mpa。（2）在-20℃時，鋼桁架橋的應(yīng)力分布比較均勻，梁端各節(jié)點處應(yīng)力差值不大。當(dāng)溫度為40℃時，橋面系各節(jié)點的應(yīng)力差值較大，尤其是跨中處與支座處的應(yīng)力差值達到10Mpa，說明橋面系在高溫季節(jié)更易發(fā)生破壞，因此在此溫度較高時應(yīng)該提供一些保護措施。

3 溫度變化對的人字形鋼桁架變形影響分析

對鋼桁架橋的有限元模型求解以后，在通用后處理中分別查看橋梁結(jié)構(gòu)在-20℃時及40℃時的變形云圖，如圖3所示。

圖3 不同溫度下鋼桁架變形云圖

通過圖3可以看出鋼桁架橋在不同參考溫度下的變形有了很大的變化。結(jié)合鋼桁架橋的變形云圖，可以得到以下幾個結(jié)論：（1）由于對鋼桁架橋左端施加固定端約束，因此在兩種外界溫度下全橋變形的最小值均出現(xiàn)在左端節(jié)點出，其變形值為0。但不同溫度下最大變形出現(xiàn)的位置有所區(qū)別，在溫度較低時，最大變形出現(xiàn)在跨中橋面處，但是溫度較高時，最大變形出現(xiàn)在上弦桿端部。（2）兩種溫度下鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)的變形均是靠近固定鉸支座除變形小，遠離固定鉸支座的變形較大。但在溫度較低的情況下，變形在整個橋跨結(jié)構(gòu)中分布較均勻，但是當(dāng)溫度為40℃，時很多節(jié)點都成為較大幅度變形節(jié)點，這導(dǎo)致了整個鋼桁架橋的整體變形較大。（3）溫度達到40℃時，結(jié)構(gòu)的整體變形遠大于低溫時的變形，呈現(xiàn)出下凹狀，在溫度最高時的變形達到了低溫時的1.637倍變形，在高溫狀態(tài)下應(yīng)該對頂點采取一定的降溫措施。

4 結(jié)語

運用ansys對人鋼桁架橋在溫度變化下的應(yīng)變以及變形進行了分析，結(jié)合以上應(yīng)變以及變形云圖的結(jié)果可以得到：隨著溫度的升高，鋼桁架橋的應(yīng)力以及變形值出現(xiàn)了整體的上升，而且分布較低溫狀態(tài)下很不均勻。因此在夏季高溫時候，可以對幾個危險節(jié)點采取降溫保護措施。

參考文獻

[1] 王洋，郝志軍.ANSYS在土木工程應(yīng)用實例[M].中國水利水電出版社，2010.

[2] 溫度變化對人字形鋼桁架的應(yīng)力及變形分析[J].建材發(fā)展導(dǎo)向， 2014，2.