基于Ansys的某平列式公鐵兩用大橋力學(xué)特性分析

（靜寧縣住房和城鄉(xiāng)建設(shè)局，甘肅，靜寧，743400）

【摘要】根據(jù)平列式公鐵兩用大橋的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，基于大型通用結(jié)構(gòu)分析軟件ANSYS平臺(tái)，采用空間梁?jiǎn)卧狟EAM44對(duì)其進(jìn)行離散，建立了該橋結(jié)構(gòu)的空間有限元模型。借助這一模型，文章首先分析在有汽車荷載的偏載作用下橋梁結(jié)構(gòu)的靜力特性，然后分別求得在無(wú)公路部分和有公路部分兩種情況下橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性參數(shù)，重點(diǎn)討論和比較二者自振特性的相同和不同之處，進(jìn)而得到公路部分對(duì)平列式公鐵兩用大橋力學(xué)特性的影響方面及影響程度。文章立足于實(shí)際進(jìn)行撰寫，最后的分析結(jié)果可為同類橋梁的分析檢定提供參考。

【關(guān)鍵詞】公鐵兩用橋；鋼桁梁；靜力分析；自振頻率

1 引言

某平列式公鐵兩用大橋橋面布置如圖所示，鐵路布置在兩片桁架之間，公路分別置于兩桁架之外，左右對(duì)稱，這種布置具有公路路面標(biāo)高較低的優(yōu)點(diǎn)[1]。在我國(guó)這類橋梁為數(shù)不多，且大都運(yùn)營(yíng)多年。文章研究的某平列式公鐵兩用大橋始建于1959年，并于1971年4月最終建成通車。該橋鐵路部分為1孔32米+3孔64米不等跨的四孔栓焊連續(xù)下承式鋼桁梁，公路梁為8米鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，由鐵路鋼桁梁伸出的鋼懸臂支承，設(shè)計(jì)荷載下部結(jié)構(gòu)為中-22級(jí)荷載，上部結(jié)構(gòu)鐵路為中-22級(jí)荷載，公路為汽-13級(jí)荷載，橋臺(tái)為T型混凝土橋臺(tái)，橋墩為圓端型混凝土墩，基礎(chǔ)為擴(kuò)大混凝土基礎(chǔ)，支座為輥軸與搖軸支座，橋上平坡，位于直線段。該橋交付運(yùn)營(yíng)后，橋梁養(yǎng)護(hù)部門反映，當(dāng)汽車和火車同時(shí)通過(guò)時(shí)，橋梁晃動(dòng)較為劇烈，對(duì)結(jié)構(gòu)的安全性存有疑慮，為此1974年9月對(duì)該橋進(jìn)行了檢定測(cè)試，檢定試驗(yàn)報(bào)告認(rèn)為該橋“公路托架是個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，公路上一跨滿載時(shí)，一個(gè)托架所受活載應(yīng)力比理論所計(jì)算的約大45%，是設(shè)計(jì)所未考慮到的”。 然而，公路部分（包括鋼懸臂和鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁）對(duì)平列式公鐵兩用大橋力學(xué)特性的哪些方面有影響，影響到底有多大，這方面的理論分析資料少之又少，因而對(duì)此進(jìn)行理論分析是很有必要的。

2 基于ANSYS的計(jì)算模型

當(dāng)今橋梁結(jié)構(gòu)仿真分析的理念是采用實(shí)體、板殼、梁、桿、索等多種單元組成的組合單元，建立整座橋梁完整、統(tǒng)一的分析體系，然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大規(guī)模的全橋結(jié)構(gòu)效應(yīng)計(jì)算[2]。大型通用軟件ANSYS就具有非常好的前后處理功能，不僅能準(zhǔn)確地模擬實(shí)際構(gòu)件的空間位置、尺寸、材料特性、連接形式、荷載作用、初始內(nèi)力和初始變形等，還可以對(duì)計(jì)算所輸出的大量數(shù)字信息進(jìn)行可視化處理，使計(jì)算者能直接看到全橋各部位的位移、應(yīng)力、應(yīng)變等計(jì)算結(jié)果的分布圖像，從圖像上直接進(jìn)行分析、判斷，來(lái)獲得有用的結(jié)論[3]。

該平列式公鐵兩用大橋的模型中，梁、墩均采用空間梁?jiǎn)卧狟EAM44模擬，橋墩與鋼桁梁的連接、鋼懸臂和鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的連接處理均采用剛臂單元，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，把 值取為比剛度矩陣的主系數(shù)大 數(shù)量級(jí)的正數(shù)，然后將相應(yīng)的自由度耦合即可[4]。模型中還考慮了基礎(chǔ)與地基的相互作用，用彈簧單元COMBINE14模擬土彈簧，考慮了彈簧單元順橋向和橫橋向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)，彈簧剛度采用m法計(jì)算[5]。橋梁振動(dòng)時(shí)為全橋整體振動(dòng)，所以不能只按單墩單梁的振動(dòng)來(lái)考慮，由于4號(hào)墩（小里程側(cè)）為鋼桁橋和第5跨的32m預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁橋共用，故將預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的一半質(zhì)量加在4號(hào)墩墩頂。全橋模型順橋向?yàn)閦方向（正方向?yàn)樾±锍虃?cè)），橫向?yàn)閤方向，豎向?yàn)閥方向，具體如圖2、圖3所示。

3 由靜力特性探析公路部分對(duì)大橋的影響

結(jié)構(gòu)的變形特點(diǎn)反映了結(jié)構(gòu)受力的綜合情祝，掌握橋梁受外荷載作用后各個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移變化情況，是了解該類橋梁結(jié)構(gòu)工作狀態(tài)的一個(gè)重要參數(shù)。文章對(duì)平列式公鐵兩用大橋的靜力分析主要是圍繞結(jié)構(gòu)的變形展開的。假如拆除伸出的鋼懸臂以及鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁，很明顯，該橋僅為連續(xù)下承式鋼桁梁，屬平行弦的連續(xù)桁梁，故可把它進(jìn)行簡(jiǎn)化，近似地看成具有等截面慣矩的不等跨連續(xù)梁。

4 由動(dòng)力特性探析公路部分對(duì)大橋的影響

橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)是在外作用的輸入(如人群荷載、車輛荷載、風(fēng)荷載、地震波)和摩阻損耗(如材料內(nèi)摩阻和連接及支撐的摩阻)下，結(jié)構(gòu)體系的變形能量和運(yùn)動(dòng)能量相互轉(zhuǎn)換的周期性過(guò)程。體系在受到外作用的輸入下，自身產(chǎn)生響應(yīng)的敏感程度可以用共振程度來(lái)表達(dá)，即是輸入作用與橋梁的固有頻率的比值[6]。因此，結(jié)構(gòu)的自振頻率與振型是橋梁結(jié)構(gòu)重要的動(dòng)力特性參數(shù)之一，反應(yīng)橋梁的剛度指標(biāo)。ANSYS中采用子空間迭代法可以方便和足夠精確地計(jì)算出所需的各階頻率和相應(yīng)的振型。對(duì)于下承式鋼桁橋梁橋，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，自由度數(shù)龐大。對(duì)于這種大型結(jié)構(gòu)，通常是由前幾階自振頻率和相應(yīng)振型對(duì)結(jié)構(gòu)的位移和內(nèi)力起著控制作用。由表1可知，在第一種情況下，橋梁的前幾階振型以橫向振動(dòng)為主，且呈現(xiàn)面外正對(duì)稱和反對(duì)稱交替出現(xiàn)的特點(diǎn)，橋墩順橋向彎曲振動(dòng)出現(xiàn)較早，第8階振型為全橋縱向漂移，出現(xiàn)較晚。文章實(shí)際上計(jì)算并得到了該結(jié)構(gòu)前50階自振頻率和相應(yīng)的振型，卻從未出現(xiàn)豎向彎曲振動(dòng)，可見這種情況下結(jié)構(gòu)豎向剛度較大。

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)靜力分析可知，在有汽車荷載的偏載作用下，上下游兩片主桁在相對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)位移值符號(hào)相反，說(shuō)明公路結(jié)構(gòu)上的荷載使整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)，隨著荷載的增多，扭轉(zhuǎn)變形也更大。

5.2 通過(guò)動(dòng)力分析可知，文章所討論的兩種模型都符合大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性振動(dòng)，模態(tài)非常復(fù)雜：包括橫彎、豎彎、扭轉(zhuǎn)及線相互耦合等現(xiàn)象，而且頻率出現(xiàn)集聚現(xiàn)象，各階頻率差值較小。另外，橫向振動(dòng)頻率小，且階數(shù)較其它振動(dòng)靠前，這說(shuō)明整個(gè)結(jié)構(gòu)的橫向剛度比較弱。

5.3 鋼懸臂和鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁的增加使整個(gè)結(jié)構(gòu)的自振頻率明顯減小，振型由以前的橫向彎曲振動(dòng)變?yōu)闄M向橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)的耦合振動(dòng)。對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)影響最大之處表現(xiàn)在全橋結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了階數(shù)靠前豎向彎曲振動(dòng)，充分說(shuō)明鋼懸臂和鋼筋混凝土簡(jiǎn)支梁是橋梁結(jié)構(gòu)的豎向剛度減弱的最主要因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李富文，伏奎先，劉學(xué)信.鋼橋[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1992.

[2] 鄭凱峰，陳寧，張曉翹.橋梁結(jié)構(gòu)仿真技術(shù)研究[J].橋梁建設(shè)，1998，（2）：11-15.

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

[4] 吳鴻慶，任俠.結(jié)構(gòu)有限元分析[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，2000.

[5] 宋一凡.公路橋梁動(dòng)力學(xué)[M].北京:人民交通出版社，1999.

[6] 范立礎(chǔ)，胡世得，葉愛均.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京：人民交通出版社2001.

作者簡(jiǎn)介：

作者：張明霞，出生年月(1963.04)，性別：女， 甘肅省 平?jīng)?市(籍貫)，現(xiàn)職稱：工程師 ，學(xué)歷：大專 ，研究方向：土木工程