苗明臣

（沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，沈陽110013）

基于ANSYS平臺的斜拉橋結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

苗明臣

（沈陽鐵道勘察設(shè)計院有限公司，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等動力學(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。論文在收集有關(guān)動力學(xué)及斜拉橋資料的基礎(chǔ)上，研究斜拉橋結(jié)構(gòu)特點，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。對斜拉橋的結(jié)構(gòu)動力分析中，模擬分析了橋梁在移動載荷激勵、風(fēng)致激勵和地震激勵下的動力響應(yīng)，并對結(jié)果進(jìn)行分析。

斜拉橋；動力響應(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)計理論的不斷完善、計算機(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，對大跨度橋梁在運行中外荷載作用下的動力行為也越來越受到人們的關(guān)注，因此對大跨度橋梁結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的動力響應(yīng)研究就顯得日益迫切。

2 ANSYS在動力學(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，這是動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要內(nèi)容。模態(tài)分析的最終目標(biāo)是識別出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)，為結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的振動特性分析、振動故障診斷和預(yù)報以及結(jié)構(gòu)動力特性的優(yōu)化設(shè)計提供依據(jù)。為進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析，需對ANSYS程序中有關(guān)的設(shè)計方法進(jìn)行理解，從而充分理解其計算的理論基礎(chǔ)和結(jié)果的真?zhèn)?，結(jié)構(gòu)模態(tài)分析和ANSYS程序中瞬態(tài)動力學(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)動力響應(yīng)分析

斜拉橋的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)在風(fēng)荷載、地震荷載及其他動荷載下的影響較大，這些激勵源對結(jié)構(gòu)的安全有很大的影響，雖然地震作用對橋墩及基礎(chǔ)影響較大，但對梁自身的影響也不能忽略，所以，橋梁結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析在這些激勵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、地震荷載及移動荷載等激勵源作用下的動力響應(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個張拉節(jié)點，且上邊三個節(jié)點采用7條拉索，最下方采用8條拉索，并且在塔的倒Y分叉點張拉1條拉索，塔上張拉共計117條。

橋梁索塔底部全部約束，拉索單元與梁單元按完全鉸考慮，橫梁在索塔處考慮豎向及橫向兩個方梁單元給予完全鉸約束。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

橋梁計算模型按空間魚刺式考慮，且截面的幾何特性及質(zhì)量簡化在主梁上，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

計算分析得到前10階頻率，如表1所示，這里只提取幾個適當(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了。

表1 前十階頻率

3.4 復(fù)雜激勵下的響應(yīng)分析

移動載荷mg=2000kg，則簡諧力F=F1cos（ωt）=1000cos（10t），移動速度υ=120km/h。風(fēng)載荷取為橫橋向全截面作用的常振幅正弦力，在整個結(jié)構(gòu)上每點風(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)時間大約在2.8s時，最大絕對值位移為0.284795m。

通過以上分析可以得到，在存在復(fù)雜激勵源的條件下，主梁單元結(jié)構(gòu)產(chǎn)生明顯的振動效應(yīng)，橋梁近似一個連續(xù)支撐體系，各個拉索均產(chǎn)生不同頻率的振動，其振動情況比較復(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，輔助橋墩的建立對豎向剛度提高起到重要作用，網(wǎng)格單元粗細(xì)劃分對結(jié)構(gòu)自振特性影響不大。

2）在載荷激勵下，橋梁將產(chǎn)生變形和振動，且其應(yīng)力也會發(fā)生變化。外荷載作用產(chǎn)生的這種動力效應(yīng)必須得到重視，如果在最不利的位置產(chǎn)生共振，那么該位置就會產(chǎn)生較大的動態(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有限元軟件對結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)分析是可行的，可以真實的反映結(jié)構(gòu)在外荷載作用下的動力響應(yīng)結(jié)果，為工程實踐起到了指導(dǎo)作用。

【1】王國強(qiáng).實用工程數(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力特性分析[D].成都:西南交通大學(xué),2005.

【3】李國豪.主編.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M].北京：中國鐵道出版社,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】姜凱.大跨度混凝土斜拉橋動力分析[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)用實例[M].北京:中國水利水電出版社, 2005.

【8】張相庭.工程結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載理論和抗風(fēng)計算手冊[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。