溫度變化對鋼桁架橋的應力變形分析

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℃的兩種情況下的應力以及變形的差異。分析結果表明：當外界溫度升高，鋼桁架橋的各個桿件以及節點處的應力以及變形都有較大的變化，所得到結論可以為橋梁工程設計提供相關的依據。

關鍵詞：溫度；應力；變形；ansys

鋼桁架橋是一種常見鐵路、公路橋型。在低溫高寒地區鋼桁架橋由于外界溫度變化會產生一定的應力及變形，這對橋梁結構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力以及變形的變化，并從應力云圖和位移云圖中得到相關結論。

1 有限元模型的建立

通過ansys對橋梁結構進行靜力分析的時候，首先應該建立相應的有限元計算模型，這也是在有限元分析中非常關鍵的一步。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，并劃分網格施加約束進行求解。本結構對橋梁結構作簡支約束處理，施加荷載為結構重力荷載，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力影響分析

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

圖2 不同溫度下鋼桁架應力云圖

從圖2中的鋼桁架橋在不同外界溫度下的應力變化非常巨大。結合應力云圖（圖2），可以得到以下結論：（1）在兩種外界參考溫度下，鋼桁架橋應力的最大值均出現在質點處，最小值均出現跨中處，盡管應力極值點在位置上無太大變化，但數值上有較大改變，在-20℃時的最小應力為1.03 Mpa，最大應力為8.79 Mpa。在外界溫度為40℃時，最小應力為1.24Mpa，最大應力為16.7Mpa。（2）在-20℃時，鋼桁架橋的應力分布比較均勻，梁端各節點處應力差值不大。當溫度為40℃時，橋面系各節點的應力差值較大，尤其是跨中處與支座處的應力差值達到10Mpa，說明橋面系在高溫季節更易發生破壞，因此在此溫度較高時應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構在-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。結合鋼桁架橋的變形云圖，可以得到以下幾個結論：（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在左端節點出，其變形值為0。但不同溫度下最大變形出現的位置有所區別，在溫度較低時，最大變形出現在跨中橋面處，但是溫度較高時，最大變形出現在上弦桿端部。（2）兩種溫度下鋼桁架橋梁結構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，變形在整個橋跨結構中分布較均勻，但是當溫度為40℃，時很多節點都成為較大幅度變形節點，這導致了整個鋼桁架橋的整體變形較大。（3）溫度達到40℃時，結構的整體變形遠大于低溫時的變形，呈現出下凹狀，在溫度最高時的變形達到了低溫時的1.637倍變形，在高溫狀態下應該對頂點采取一定的降溫措施。

4 結語

運用ansys對人鋼桁架橋在溫度變化下的應變以及變形進行了分析，結合以上應變以及變形云圖的結果可以得到：隨著溫度的升高，鋼桁架橋的應力以及變形值出現了整體的上升，而且分布較低溫狀態下很不均勻。因此在夏季高溫時候，可以對幾個危險節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力及變形分析[J].建材發展導向， 2014，2.