基于ANSYS平臺的斜拉橋結構動力響應分析

苗明臣

（沈陽鐵道勘察設計院有限公司，沈陽110013）

基于ANSYS平臺的斜拉橋結構動力響應分析

苗明臣

（沈陽鐵道勘察設計院有限公司，沈陽110013）

隨著橋梁結構跨度的不斷增加，大量問題隨之而來，其中橋梁結構的自振特性以及在抗震、抗風和車輛荷載的沖擊振動等動力學問題日益突出。斜拉橋與其他一般梁式橋在結構體系、材料受力性能等方面都有顯著的差異，且在抗風、抗震性能等均有其自身的特點。論文在收集有關動力學及斜拉橋資料的基礎上，研究斜拉橋結構特點，通過ANSYS軟件建立了空間有限元模型，進行了斜拉橋的三維空間模型仿真分析。對斜拉橋的結構動力分析中，模擬分析了橋梁在移動載荷激勵、風致激勵和地震激勵下的動力響應，并對結果進行分析。

斜拉橋；動力響應；ANSYS

【DOI】10.13616/j.cnki.gcjsysj.2016.10.011

1 引言

近年來，大跨度橋梁在其結構、建筑造型以及經濟方面都得到了很大的發展，越來越受到人們的青睞，隨著橋梁設計理論的不斷完善、計算機技術的廣泛應用以及有限元理論分析的快速發展，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注，因此對大跨度橋梁結構在外荷載作用下的動力響應研究就顯得日益迫切。

2 ANSYS在動力學仿真分析的基本方法

模態分析主要用于決定結構的固有頻率和振型，這是動態載荷結構設計中的主要內容。模態分析的最終目標是識別出系統的模態參數，為結構系統的振動特性分析、振動故障診斷和預報以及結構動力特性的優化設計提供依據。為進行準確的結構動力響應分析，需對ANSYS程序中有關的設計方法進行理解，從而充分理解其計算的理論基礎和結果的真偽，結構模態分析和ANSYS程序中瞬態動力學分析包含完全法、模態疊加法、縮減法3種方法[1～4]。

3 斜拉橋結構動力響應分析

斜拉橋的結構動力響應在風荷載、地震荷載及其他動荷載下的影響較大，這些激勵源對結構的安全有很大的影響，雖然地震作用對橋墩及基礎影響較大，但對梁自身的影響也不能忽略，所以，橋梁結構的動力響應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荷載、地震荷載及移動荷載等激勵源作用下的動力響應。

結構尺寸。主跨：360 m邊跨：174 m 橋寬：28 m；主塔全高：165 m；主塔采用倒Y結構。

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，共設置4個張拉節點，且上邊三個節點采用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。橋梁端部小里程側考慮豎向和橫向的平移自由度約束，大里程側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量簡化在主梁上，橫梁為剛性。全橋結構模型如圖1所示。

圖1 全橋結構模型

主梁結構在主塔和梁端釋放縱向約束，假設梁為全漂浮狀態。

3.3 模態分析

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的振型說明問題，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 復雜激勵下的響應分析

移動載荷mg=2000kg，則簡諧力F=F1cos（ωt）=1000cos（10t），移動速度υ=120km/h。風載荷取為橫橋向全截面作用的常振幅正弦力，在整個結構上每點風載荷都是同相位的。風力方向垂直于主梁且平行于橋面，最大風壓大小取4000N/m，即P= 50sin（1.5t）。

可以看到當時間大約在2.8s時，最大絕對值位移為0.284795m。

通過以上分析可以得到，在存在復雜激勵源的條件下，主梁單元結構產生明顯的振動效應，橋梁近似一個連續支撐體系，各個拉索均產生不同頻率的振動，其振動情況比較復雜，從而得到的曲線呈不規則狀態，該結論從得到的曲線上可以看到。

4 結論

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，網格單元粗細劃分對結構自振特性影響不大。

2）在載荷激勵下，橋梁將產生變形和振動，且其應力也會發生變化。外荷載作用產生的這種動力效應必須得到重視，如果在最不利的位置產生共振，那么該位置就會產生較大的動態響應，直接威脅到橋梁結構的安全。

3）通過分析可以看出，通過ANSYS有限元軟件對結構的動力響應分析是可行的，可以真實的反映結構在外荷載作用下的動力響應結果，為工程實踐起到了指導作用。

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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，從事橋梁結構及巖土工程設計。