基于ANSYS平台的斜拉桥结构动力响应分析

苗明臣

（沈阳铁道勘察设计院有限公司，沈阳110013）

基于ANSYS平台的斜拉桥结构动力响应分析

苗明臣

（沈阳铁道勘察设计院有限公司，沈阳110013）

随着桥梁结构跨度的不断增加，大量问题随之而来，其中桥梁结构的自振特性以及在抗震、抗风和车辆荷载的冲击振动等动力学问题日益突出。斜拉桥与其他一般梁式桥在结构体系、材料受力性能等方面都有显著的差异，且在抗风、抗震性能等均有其自身的特点。论文在收集有关动力学及斜拉桥资料的基础上，研究斜拉桥结构特点，通过ANSYS软件建立了空间有限元模型，进行了斜拉桥的三维空间模型仿真分析。对斜拉桥的结构动力分析中，模拟分析了桥梁在移动载荷激励、风致激励和地震激励下的动力响应，并对结果进行分析。

斜拉桥；动力响应；ANSYS

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

1 引言

近年来，大跨度桥梁在其结构、建筑造型以及经济方面都得到了很大的发展，越来越受到人们的青睐，随着桥梁设计理论的不断完善、计算机技术的广泛应用以及有限元理论分析的快速发展，对大跨度桥梁在运行中外荷载作用下的动力行为也越来越受到人们的关注，因此对大跨度桥梁结构在外荷载作用下的动力响应研究就显得日益迫切。

2 ANSYS在动力学仿真分析的基本方法

模态分析主要用于决定结构的固有频率和振型，这是动态载荷结构设计中的主要内容。模态分析的最终目标是识别出系统的模态参数，为结构系统的振动特性分析、振动故障诊断和预报以及结构动力特性的优化设计提供依据。为进行准确的结构动力响应分析，需对ANSYS程序中有关的设计方法进行理解，从而充分理解其计算的理论基础和结果的真伪，结构模态分析和ANSYS程序中瞬态动力学分析包含完全法、模态叠加法、缩减法3种方法[1～4]。

3 斜拉桥结构动力响应分析

斜拉桥的结构动力响应在风荷载、地震荷载及其他动荷载下的影响较大，这些激励源对结构的安全有很大的影响，虽然地震作用对桥墩及基础影响较大，但对梁自身的影响也不能忽略，所以，桥梁结构的动力响应分析在这些激励源作用下的研究是很有必要的[5～8]。

3.1 工程概况

下面研究斜拉桥在风荷载、地震荷载及移动荷载等激励源作用下的动力响应。

结构尺寸。主跨：360 m边跨：174 m 桥宽：28 m；主塔全高：165 m；主塔采用倒Y结构。

斜拉索沿主梁布置，每6m一根。斜拉索从主塔顶向下依次布置，间距为18m，共设置4个张拉节点，且上边三个节点采用7条拉索，最下方采用8条拉索，并且在塔的倒Y分叉点张拉1条拉索，塔上张拉共计117条。

桥梁索塔底部全部约束，拉索单元与梁单元按完全铰考虑，横梁在索塔处考虑竖向及横向两个方梁单元给予完全铰约束。桥梁端部小里程侧考虑竖向和横向的平移自由度约束，大里程侧仅给予横向的平移自由度约束。

3.2 桥梁模型

桥梁计算模型按空间鱼刺式考虑，且截面的几何特性及质量简化在主梁上，横梁为刚性。全桥结构模型如图1所示。

图1 全桥结构模型

主梁结构在主塔和梁端释放纵向约束，假设梁为全漂浮状态。

3.3 模态分析

计算分析得到前10阶频率，如表1所示，这里只提取几个适当的振型说明问题，第一阶为主跨横向弯曲，第二阶为全桥纵向平移，到了第六阶就开始处于竖向挠曲振动了。

表1 前十阶频率

3.4 复杂激励下的响应分析

移动载荷mg=2000kg，则简谐力F=F1cos（ωt）=1000cos（10t），移动速度υ=120km/h。风载荷取为横桥向全截面作用的常振幅正弦力，在整个结构上每点风载荷都是同相位的。风力方向垂直于主梁且平行于桥面，最大风压大小取4000N/m，即P= 50sin（1.5t）。

可以看到当时间大约在2.8s时，最大绝对值位移为0.284795m。

通过以上分析可以得到，在存在复杂激励源的条件下，主梁单元结构产生明显的振动效应，桥梁近似一个连续支撑体系，各个拉索均产生不同频率的振动，其振动情况比较复杂，从而得到的曲线呈不规则状态，该结论从得到的曲线上可以看到。

4 结论

1）通过ANSYS模拟分析表明，辅助桥墩的建立对竖向刚度提高起到重要作用，网格单元粗细划分对结构自振特性影响不大。

2）在载荷激励下，桥梁将产生变形和振动，且其应力也会发生变化。外荷载作用产生的这种动力效应必须得到重视，如果在最不利的位置产生共振，那么该位置就会产生较大的动态响应，直接威胁到桥梁结构的安全。

3）通过分析可以看出，通过ANSYS有限元软件对结构的动力响应分析是可行的，可以真实的反映结构在外荷载作用下的动力响应结果，为工程实践起到了指导作用。

【1】王国强.实用工程数值模拟技术及其在ANSYS中的应用[M].西安:西北工业大学出版社，1999.

【2】文坡.金江金沙江大桥斜拉桥动力特性分析[D].成都:西南交通大学,2005.

【3】李国豪.主编.桥梁结构稳定与振动[M].北京：中国铁道出版社,2002.

【4】王勖成，邵敏.有限元基本原理和数值方法(第2版)[M].北京:清华大学出版社,1998.

【5】姜凯.大跨度混凝土斜拉桥动力分析[D].成都:西南交通大学，2009.

【6】郭乙木，陶伟明，庄茁.线性与非线性有限元及其应用[M].北京:机械工业出版社，2003.

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【8】张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M].上海:同济大学出版社，1990.

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，辽宁沈阳人，工程师，从事桥梁结构及岩土工程设计。