鋁合金拱形桁架橋力學(xué)性能模擬分析

（遼寧忠旺集團(tuán)有限公司，遼寧 遼陽(yáng) 111003）

鋼材作為常規(guī)土木工程建設(shè)中常用的材料，但是鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨著銹蝕導(dǎo)致的耐久問(wèn)題[1，2]，與鋼結(jié)構(gòu)橋梁相比，使用鋁擠壓型材拼裝生產(chǎn)的鋁合金橋梁不但能夠達(dá)到常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用性能，還能因鋁材特有的耐腐蝕性能可以大大減小環(huán)境給整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損傷，鋁材的易加工、低密度性能使之成為一種新型的橋梁建筑材料[3]。

李薇[4]等人利用CFD模擬軟件fluent對(duì)不同流線(xiàn)橋梁風(fēng)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行模擬，得出結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常接近，阻力系數(shù)誤差小于4%，升力矩小于6%，升力系數(shù)小于3%。本文采用模擬仿真的手段對(duì)全鋁桁架橋進(jìn)行了綜合載荷下的力學(xué)性能及模態(tài)分析，得到了橋梁受載情況下的撓度、應(yīng)力分布、自振頻率，為鋁合金橋梁的設(shè)計(jì)提供了參考。

1 橋梁基本參數(shù)

如圖1所示為本模擬中鋁合金桁架橋整體結(jié)構(gòu)示意圖，橋整體為鋁擠壓型材螺接，桁架結(jié)構(gòu)。

圖1 桁架橋結(jié)構(gòu)示意圖

表1為橋梁基本參數(shù)。

表1 桁架橋模擬參數(shù)

2 有限元模型建立

2.1 材料屬性及使用需求

桁架橋在使用過(guò)程中的許用工況為材料到達(dá)屈服點(diǎn)以前的線(xiàn)性階段，具體材料屬性如下表2。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)材料屬性

2.2 工況說(shuō)明

桁架橋結(jié)構(gòu)靜力學(xué)工況施加、荷載施加及約束見(jiàn)圖2，橋梁內(nèi)部的地板為主要承載面。

圖2 載荷與約束

在橋梁的使用過(guò)程中，需要考量的重要載荷以及標(biāo)準(zhǔn)要求如表3所示。

表3 橋梁載荷分類(lèi)

在本橋梁設(shè)計(jì)中，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CJJ 69-1995《城市人行與人行地道技術(shù)規(guī)范》[5]。

3 模擬結(jié)果分析

由于橋梁在正常使用過(guò)程中，會(huì)承受多方面施加的載荷，本文簡(jiǎn)化為行人載荷、自重載荷及風(fēng)載荷依次疊加施加。

3.1 自重+行人載荷

圖3a為施加行人、自重荷后桁架橋撓度，撓度最大值位于橋梁中部，為54.5mm，經(jīng)上一節(jié)分析，自重情況下的橋梁撓度為10.68mm，可以推算由行人載荷施加所造成的撓度為43.82mm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖3 綜合載荷撓度與應(yīng)力分布

從圖3b中可以看出，桁架橋整體應(yīng)力主要分布在約束撐位置附近，應(yīng)力最高值位于地板固定螺接處，為141.78Mpa，桁架橋整體應(yīng)力水平小于材料屈服。

3.2 自重+行人載荷+風(fēng)載

圖4a為施加行人、風(fēng)、自重荷后桁架橋撓度，橋梁在之中情況下垂直方向最大撓度為54.59mm，經(jīng)上一節(jié)分析，自重情況下的橋梁撓度為10.68mm，可以推算由行人載荷施加所造成的撓度為43.91mm，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖4 風(fēng)載荷撓度與應(yīng)力分布

從圖4b中可以看出，桁架橋整體應(yīng)力依然集中在約束支撐位置附近，應(yīng)力最高值位于固定螺接處，最大值為255.151Mpa，桁架橋整體應(yīng)力水平小于材料屈服。

3.3 模態(tài)分析

在桁架橋的正常使用中，考慮到桁架橋結(jié)構(gòu)的固有頻率即自振頻率的大小對(duì)結(jié)構(gòu)在受激時(shí)是否會(huì)發(fā)生共振起著主導(dǎo)型的作用，對(duì)橋梁的固有頻率進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖6為一階模態(tài)下變形程度與固有頻率。

圖5 垂直方向一階模態(tài)

通過(guò)模擬結(jié)果可知，桁架橋整體的縱向方向自振頻率最低為6.05Hz，滿(mǎn)足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）桁架橋在承受行人載荷、風(fēng)載均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，最大垂直撓度分別為43.91mm。

（2）桁架橋自振頻率為6.05Hz，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

（3）從模擬結(jié)果來(lái)看鋁擠壓型材拼裝的全鋁桁架橋完全能夠達(dá)到使用要求，可替代鋼結(jié)構(gòu)。