基于ANSYS的直线连续型钢桁架桥力学分析及优化设计

刘双

（江海职业技术学院，江苏扬州225101）

基于ANSYS的直线连续型钢桁架桥力学分析及优化设计

刘双

（江海职业技术学院，江苏扬州225101）

直线连续型钢桁架是桥梁的主要结构型式之一。利用ANSYS14.0软件，在初始设定及加载条件保持基本不变的前提下，对直线连续型钢桁架的不同结构、不同简支方式进行相应有限元建模力学分析。结果表明，三种结构中，对称型结构较为合理，增强型结构对整体力学性能影响较小；三种简支方式中，分散铰接简支方式下钢桁架桥力学性能最优，桁架中间段形变严重的问题可以通过局部释放约束的方法加以解决。

连续型钢桁架；ANSYS；力学分析；优化设计

0 引言

随着制造工艺、设计水平和新型材料等方面的不断进步，钢桁架桥成为桥梁设计的主流类型之一。由于其自重较轻、施工简便、杆件受力形式较为简单、连梁形式大大改善了其他连梁结构形式的延性及抗震性能，近年来钢桁架桥得到了飞速发展。我国的南京长江大桥、日本的生月桥、加拿大的魁北克桥，均采用了桁架结构。钢桁架的类别主要有曲线连续型和直线连续型两种。直线连续型钢桁架桥外形简单有序，具有施工质量易于控制、吊装方便和施工周期短等特点，本文主要研究直线连续型钢桁架，通过结构型式及简支方式的调整，结合有限元软件，对其进行力学分析及结构性优化设计。

1 ANSYS14.0的初始设置

在ANSYS14.0的预处理阶段，选定structural。在单元类型上，选定link，选取3D finit stn 180。在实常数上，设定其截面面积为0.25。在材料属性上，设定其弹性模量为2.1E11，设定其泊松比为0.3。

2 实际工程的模型简化

直线连续型钢桁架桥在模型简化上，采用最基本的杆件组成三杆桁架，三杆桁架结构是工程上一种较为常用的结构。由三杆桁架依次沿直线搭接成桁架桥。在桥与岸的搭接上采用限制垂直方向位移的杆连接，保证车辆上下桥的便捷。其简化模型结构主要有一致型、对称型和加强型3种。三种结构总体结构基本一致，在建模时设定的关键节点均为24个。如图1至图3所示。

图1 一致型结构模型

图2 对称型结构模型

图3 加强型结构模型

3 模型加载及试验结果

3.1 简化模型的加载

三种简化模型采用相同的加载方式，如图4所示。采用一端铰接，一端移动的整体约束方式。载荷采用集中载荷。设定车辆在桁架桥中心位置，重10 000 N，行驶下对桥产生的水平方向的摩擦力为3 000 N，桁架桥所用杆件单位长度重量为100 N，进行模型载荷的设置。

图4 桁架桥模型加载

3.2 简化模型下的形变云图及分析

三种简化模型中，加强型结构模型由于杆件数量增加，其载荷值也略微增加。通过ANSYS14.0求解器求解，其相应的形变云图如图5至图7所示。

图5 一致型结构模型的形变云图

图6 对称型结构模型的形变云图

图7 加强型结构模型的形变云图

桁架的几何尺寸、结点间的相互位置及其连接方式对优化设计有所影响。从图5、图6及图 7可以看出，三者的绝对形变量依次为0.141E-4、0.139E-4、0.138E-4。其中，图5与图6在杆件数量及长度、约束及载荷等条件完全一致的情形下，对称性结构模型的形变量减少0.002E-4，减少比率为1.43%，形变状况有了一定改善。桁架桥中段形变最大，为此在该段增加了杆件，以提高其强度。从图6与图7的比较来看，形变量减少0.001E-4，减少比率为0.72%，减少量并不明显。

3.3 模型的简支方式调整

在载荷条件基本不变的情形下，把一端铰接、一端移动的简支方式调整为两点铰接的约束方式，如图8和图9所示。

图8 两端铰接的简支方式

图9 分散铰接的简支方式

如图4、图8及图9所示，简支方式虽然进行了调整，但桁架桥两端与岸相接部分的杆件仍保持了限制Y方向自由度的约束。

3.4 简支方式下的形变云图及分析

简支方式变化下的形变云图如图10、图11所示。

图10 两端铰接简支方式下的形变云图

图11 分散铰接简支方式下的形变云图

从图7、图10及图11可以看出，三者的绝对形变量依次为0.139E-4、0.707E-5、0.114E-5。在主体桁架桥结构形式、载荷条件均不变的情况下，形变量绝对值及相对值均发生了较大的变化。对比图7与图10可以看出，简支方式从一端铰接、一端移动调整为两端铰接之后，绝对形变量减少了 0.683E-5，减少比率为49.1%，减少量非常明显。对比图10与图11可以看出，在简支方式维持两点铰接不变的情形下，把两端铰接调整为分散铰接之后，绝对形变量减少了0.593E-5，减少比率为83.9%，形变控制的效果非常显著。

4 结论

从对直线连续型钢桁架桥的分析可以看出，在初始设定及加载条件保持基本不变的前提下，通过对其不同结构、不同简支方式的有限元分析，直线连续型钢桁架桥的形变情况发生了一定的变化。在结构形式从一致型、对称型到加强型的变化之下，其形变量的变化幅度非常小，从节省材料、缩短时间的角度而言，选用对称型结构较为合理，若是要提高其安全系数，可以采用加强型的对称结构。

在简支型式从一端铰接、两端铰接到分散铰接的变化之下，其形变量的变化幅度，不论其绝对值还是相对值，都非常明显。虽然两点铰接下直线连续型钢桁架桥的形变量小，但是从铰接支座的制造来看，其工程量及工程难度与地质状况关系较大，经济性较差，工程时间较长。若是直线连续型钢桁架桥为救援应急用或临时交通用，在跨度较小的情形下，可以采用一端铰接、一端移动的简支方式；在跨度较大的情形下，可以采用两端铰接的方式。若是作为长期交通运输用，在对通航没有要求的情形下，可以采用分散铰接的方式；若要预留后续通航空间及提高直线连续型钢桁架桥的使用寿命，可以把中间桁架改为半固定式或可旋转起吊式。这与同济大学机械与能源工程学院周奇才教授为克服传统基结构设计方法对最优解的束缚而提出的将连续体与离散杆系相结合的桁架结构优化设计方法，其思路是基本一致的。直线连续型钢桁架桥的这种结构优化设计方法，解除了桁架局部自由度的束缚，消除了局部形变过大对整体结构的影响，无疑是其工程应用上的一个很好例证。

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［责任编辑：秦锦文］

Mechanical Analysis and Optimum Design of Linear Continuous Steel Truss Based on ANSYS

LIU Shuang
(Jianghai Polytechnic College,Yangzhou 225101,China)

Linear continuous steel truss is one of the main structural types of bridges.By the ANSYS14.0 software,the finite element modeling mechanics analysis on different structures and different simply supported modes of the linear continuous steel truss is carried out under the precondition of keeping the initial setting and the loading condition unchanged.The results show that in the three kinds of structures,symmetrical structure is more reasonable,and the reinforced structure has little effect on the overallmechanical properties;in the three kinds of simple support,themechanical properties of steel truss bridge which taking decentralized hinged simply supported method are optimal,and the problem of the serious deformation in them iddle section of the truss can be solved bymeansof local release constraint.

continuoussteel truss;ANSYS;mechanicalanalysis;optimum design

U 441.5

A

2095-5928（2017）03-45-04

10.16850/j.cnki.21-1590/g4.2017.03.014

2017-03-19

刘双（1982-），男，湖北天门人，讲师，硕士，研究方向：教育教学理论、机械工程装备。