基于ANSYS有限元簡化模型的斜拉橋地震響應(yīng)分析

辛亞軍，陳 普，程樹良

(1.燕山大學(xué) 建筑工程與力學(xué)學(xué)院，河北 秦皇島 066004;2.錦西化工機械集團有限責(zé)任公司，遼寧 葫蘆島 125001)

斜拉橋因其結(jié)構(gòu)合理、外形美觀、造價低、施工方便等突出的優(yōu)點而成為世界上廣泛采用的橋型［1］，這種橋在地震作用下的響應(yīng)特性越來越引起人們的關(guān)注［2］。以燕宏橋為例，進行ANSYS簡化模型的地震反應(yīng)有限元分析，分析結(jié)果為斜拉橋的抗震設(shè)計和加固提供參考。

1 工程概況

以橫跨燕山大學(xué)東西校區(qū)的燕宏橋為例進行研究，該斜拉橋主橋為獨塔雙索面斜拉橋，跨度為(40+108+16+26)m，結(jié)構(gòu)為墩、塔、梁固結(jié)體系。索塔橫向造型為倒Y形，橫向剛度大，有利于橫向穩(wěn)定。主跨拉索采用半扇形布置，橫向采用A形雙索面布置，有利于主梁抗扭。橋梁的立面圖和俯視圖如圖1所示，橋梁共3組橋墩。

燕宏橋主體部分由主梁、斜拉索和索塔三大部分組成，部分材料參數(shù)如表1所示。

圖1 燕宏橋結(jié)構(gòu)示意

表1 材料參數(shù)

2 模型建立

首先建立燕宏橋的實體精細ANSYS模型，橋的模型根據(jù)橋梁的建筑施工圖完成。主梁、塔墩、橋墩和索塔下部全部用SOLID65三維實體單元模擬，索塔上部用SHELL63殼單元模擬，拉索采用LINK10線單元［3］，模型單元總數(shù)為41 171個。完成的有限元模型如圖2所示。

橋墩及索塔下部樁嵌入地表，模擬為固接，索塔與主梁連接處為整體澆筑，使其黏合在一起。拉索錨固區(qū)結(jié)構(gòu)形式十分復(fù)雜，無法按照真實情況建模，但其連接形式對整體模型影響不大，故采用塔及梁上自然節(jié)點建立拉索單元。

模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的動力特性，即橋梁的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動態(tài)載荷結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要參數(shù)，是其他動力學(xué)分析的起點，例如譜分析、瞬態(tài)動力學(xué)分析(動力時程分析)。燕宏橋的前三階振型和頻率如圖3所示。

如前所述的 ANSYS模型單元數(shù)量龐大，用 ANSYS進行地震反應(yīng)分析比較困難，計算時間長，計算結(jié)果文件很大。因此，本文提出對有限元模型進行簡化，總體原則是保持振動特性基本一致，方法是將箱型的主梁簡化為混凝土實體梁，索塔簡化為實體。簡化模型如圖4所示，簡化模型與精細模型的前三階頻率對比如表2所示，可以看出誤差不大，可以保證使用簡化模型提供的計算結(jié)果與精細模型一致，用來作進一步分析。

圖2 有限元精細模型

圖3 斜拉橋模型振型和頻率

圖4 有限元簡化模型

表2 精細模型和簡化模型頻率對比

3 燕宏橋地震反應(yīng)分析

對燕宏橋進行地震作用下的反應(yīng)分析，以Elcentro地震波為例，計算其縱向輸入情況下燕宏橋的地震響應(yīng)，加速度峰值調(diào)至4.0 m/s2(8級大震)，如圖5為Elcentro地震波的加速度時程曲線。

圖5 Elcentro波加速度時程曲線

3.1 下部結(jié)構(gòu)響應(yīng)

高橋墩的破壞類型大多為彎曲型破壞，矮橋墩的破壞大多為剪切型破壞。燕宏橋的橋墩是實心橋墩，高度為8 m左右，不屬于高橋墩，所以不容易發(fā)生彎曲型破壞。1#至3#橋墩底部剪切應(yīng)力的時間歷程曲線如圖6所示。

由圖6可以看出三組橋墩所受剪應(yīng)力的情況非常近似，峰值也很接近，其中最大峰值出現(xiàn)在3#橋墩，絕對值為18.883 MPa。

3.2 上部結(jié)構(gòu)響應(yīng)

圖7為橋面和索塔中部的加速度時程曲線，由圖7可知，橋面中部加速度放大了3倍左右，索塔中部加速度放大了10倍左右，均在正常范圍之內(nèi)。

圖6 3組橋墩剪應(yīng)力時程曲線

圖8為橋面結(jié)構(gòu)和索塔中部位移時程曲線。通過對比可以看出，橋面最大位移出現(xiàn)在右側(cè)4#橋墩處，其峰值為 －0.031 5 m，右側(cè)邊墩帽梁寬0.625 0m，在安全范圍之內(nèi)，不會發(fā)生落梁危險。

3.3 斜拉索響應(yīng)

因為燕宏橋整體結(jié)構(gòu)關(guān)于縱軸對稱，而地震為縱向輸入，所以對斜拉索的分析只需取一側(cè)即可，圖9為單側(cè)14根拉索中正面和背面應(yīng)力較大的兩根索的應(yīng)力時程圖。

經(jīng)過對索塔右側(cè)A1-A11號索和背索B1-B3號索所受應(yīng)力對比，可以看出背索變化速度較正面索變化速度快，是由于背索直接錨固于地表的緣故。全部14根拉索所受應(yīng)力時程曲線基本保持一致，都在拉索初應(yīng)力上下波動，峰值出現(xiàn)時刻大致相同，其中A7索峰值最大為 42.2 MPa，遠遠小于拉索的標(biāo)準(zhǔn)強度值1 670 MPa。

圖7 上部結(jié)構(gòu)加速度反應(yīng)

圖8 上部結(jié)構(gòu)位移反應(yīng)

圖9 索的應(yīng)力時程曲線

4 結(jié)論

本文采用ANSYS針對一座斜拉橋分別建立了動力分析的精細模型和簡化模型，在簡化模型和精細模型動力特性一致的基礎(chǔ)上，對簡化模型進行了Elcentro地震波作用下的地震反應(yīng)分析。分析結(jié)果顯示橋梁的下部結(jié)構(gòu)，包括塔墩和橋墩，在縱向地震作用下剪切應(yīng)力曲線基本保持一致，數(shù)值相差不大;上部結(jié)構(gòu)最容易發(fā)生的破壞是落梁，本例橋面最大位移在安全范圍之內(nèi)，加速度放大倍數(shù)正常;斜拉索最大應(yīng)力值遠小于極限值。本文采用的計算方法和分析結(jié)果可以為斜拉橋的設(shè)計和計算提供參考。

［1］林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］葉愛君，胡世德，范立礎(chǔ).斜拉橋抗震結(jié)構(gòu)體系研究［J］.橋梁建設(shè)，2002(4):1-4.

［3］張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應(yīng)用方法與實例［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］中華人民共和國建設(shè)部.GB 50011—2001 建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2001.

［5］徐揚，王沖，周凌遠.大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋地震響應(yīng)分析［J］.鐵道建筑，2010(2):14-17.