大跨度鋼桁架橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析

摘 要：隨著我國(guó)冶鋼技術(shù)和防腐技術(shù)的發(fā)展，在橋梁設(shè)計(jì)中開始越來越多地采用鋼結(jié)構(gòu)橋。大跨度鋼桁架橋因?yàn)榭缭侥芰^強(qiáng)、造型美觀、堅(jiān)固耐用、有利于現(xiàn)瞻等特點(diǎn)，在工程建設(shè)中被越來越多地使用。本文采用ANSYS有限元分析法，對(duì)某一大跨度鋼桁架橋進(jìn)行模態(tài)分析，得到該大跨度橋的陣型及頻率周期等數(shù)值，尋求橋梁結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，為今后的抗震性能分析作基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：ANSYS；大跨度；剛桁架橋；模態(tài)分析

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-3362（2013）12-0001-02

引言

隨著我國(guó)冶鋼技術(shù)和防腐技術(shù)的發(fā)展，在橋梁設(shè)計(jì)中開始越來越多地采用鋼結(jié)構(gòu)橋。其中剛桁架橋以其架設(shè)靈活、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定等特點(diǎn)成為橋梁選型的首選橋型之一。鋼桁架橋以鋼桁架形式建造，一般是由鋼鐵材質(zhì)焊接成的框架式結(jié)構(gòu)，施工周期短，可以充分利用材料強(qiáng)度和三角形結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，布置靈活，承載能力強(qiáng)，耐久性好。雖然與連續(xù)梁、系桿拱、矮塔斜拉橋等鋼結(jié)構(gòu)橋相比，成本略高，因其剛度大、穩(wěn)定性及抗震性能好成為很多情況首選橋型。而近幾年來大跨度橋梁也飛速發(fā)展，大跨度鋼桁架橋因?yàn)榭缭侥芰^強(qiáng)、造型美觀、堅(jiān)固耐用、有利于現(xiàn)瞻等特點(diǎn)，在工程建設(shè)中被越來越多地使用。因此研究大跨度鋼桁架橋的抗震性能具有重要意義。

1 模型建立

1.1 工程概況

某大跨度鋼桁架橋，全橋長(zhǎng)96m，橋面寬10m，高為16m，橋面板為0.45m厚的混凝土板。橋的端斜桿、上下弦、腹桿及橫向連接桿均為工字型鋼（圖1）。

1.2 單元選擇

梁?jiǎn)卧胋eam4來模擬。它是一個(gè)軸向拉壓、扭轉(zhuǎn)和彎曲的單元，每個(gè)節(jié)點(diǎn)有6個(gè)自由度，包括3個(gè)平動(dòng)和3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。本單元具有應(yīng)力剛化和大變形功能。橋面板單元用shell63來模擬。

1.3 邊界條件和加載

結(jié)構(gòu)為簡(jiǎn)支桁架，左端固定鉸支，右端活動(dòng)鉸支。

建立有限元模型。根據(jù)下表1，建立實(shí)常數(shù)，用ANSYS軟件建立有限元模型，該橋的有限元模型如圖2所示。

2 模態(tài)分析

模態(tài)分析是動(dòng)力學(xué)分析中很重要的基礎(chǔ)分析，是諧響應(yīng)分析，瞬態(tài)分析及反應(yīng)譜分析等其他動(dòng)力學(xué)分析的起點(diǎn)。模態(tài)分析一般用來確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性，來計(jì)算結(jié)構(gòu)的固有頻率和主振型。這些參數(shù)即是結(jié)構(gòu)承受動(dòng)力荷載作用下的重要參數(shù)，同時(shí)也是結(jié)構(gòu)其他各類型動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)，而在模態(tài)分析中，低階振型對(duì)結(jié)構(gòu)起控制作用，文中采用大型通用有限元軟件ANSYS，采用子空間迭代法進(jìn)行橋梁模態(tài)分析，計(jì)算模態(tài)數(shù)量取前6階，計(jì)算結(jié)果見表2。在結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能分析中，通常情況下只有結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和陣型起控制作用，所以只需求結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和振型見圖3a～f。

由表2和圖3a～f可以看出，鋼桁架橋體系的動(dòng)力特性有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

剛桁架橋的第一階振型以豎向?qū)ΨQ彎曲為主，自振頻率為0.94053Hz，自振周期為1.0632s。自振周期長(zhǎng)，固有頻率低，此振型在剛桁架橋的地震響應(yīng)中占了很大的比例；剛桁架橋的反對(duì)稱豎彎出現(xiàn)的比較早，自振頻率為1.3191Hz，自振周期為0.7581s。此階振型對(duì)鋼桁架橋的豎向地震反應(yīng)影響很大；該鋼桁架橋的扭轉(zhuǎn)振型最早出現(xiàn)在第五階振型，自振頻率為2.7333Hz，自振周期為0.3658s；該橋較早出現(xiàn)的振型是以豎橋向?yàn)橹鳎f明該剛桁架橋?qū)ωQ向地震動(dòng)作用較為敏感。

3 結(jié)語

通過采用ansys軟件對(duì)此大跨度鋼桁架橋梁進(jìn)行模態(tài)分析，得出其自振頻率與振型，經(jīng)分析可知該大跨度鋼桁架橋抗扭剛度較大，對(duì)豎向地震作用比較敏感，避免產(chǎn)生共振，在使用時(shí)應(yīng)盡力避免使其破壞。

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作者簡(jiǎn)介：譚燕秋（1963-），男，教授，河北邯鄲，河北工程大學(xué)，從事鋼結(jié)構(gòu)方面的研究；吳欣（1986-），女，河北邯鄲，河北工程大學(xué)碩士研究生；宮玉俠（1988-），女，河北邯鄲，河北工程大學(xué)碩士研究生。