钢桁架桥梁的静力及地震响应分析

地震作为一种自然灾害其危害极大。桥梁工程是重要生命线工程，其破坏不仅会威胁人们的财产甚至生命安全，还会给地震的灾后重建带来巨大困难，给整个社会带来巨大损失。因此，在地震中确保桥梁具备充分的抗震能力和合理的安全性，从而减少因灾害造成的损失是工程和学术界备受关注的问题[1～4]。

为充分了解桥梁在地震作用下的响应，利用有限元程序ANSYS分析钢桁架桥梁在地震作用下的动力性能。

1 工程概况

对一座跨径66 m简支钢桁架桥进行分析。该桥宽10 m、长66 m、高11 m，每个节段长11 m，地震烈度为7度。见图1和图2。

图1 桥型布置

图2 杆件构造

桥面板采用C50混凝土，E=3.5×1010N/m2，μ=0.166 7，ρ=2 500 kg/m3。杆件采用H型截面，所用钢材为16Mnq，E=2.06×1011N/m2，μ=0.3，ρ=7 800 kg/m3。桥梁阻尼比为0.03。

2 边界及荷载条件

重力加速度g为9.8 m/s2。采用EL Centro地震波，时间间隔0.02 s，总时长15 s，记录信号为竖向加速度。按0.1 s间隔提取一共150个数据，在输入计算前先在对原始数据进行处理。

基本烈度为7度时，地面水平加速度峰值a为0.1g或0.15g，取平均值0.125g。但是EI Centro地震记录的峰值竖向加速度为avmax=200.000 4 cm/s2。所以，须先把实际地震记录的加速度峰值转换为所需烈度对应的加速度峰值后再进行计算。已知水平地震系数KH=0.1，竖向地震系数KV=0.05，得到av=a/2。对于EI Centro地震记录

该记录应该乘以0.306 25后使用。

3 模型建立

桁架桥各杆件采用BEAM188单元划分，桥面板用SHELL63单元划分。有限元模型见图3。

图3 桁架桥有限元网格划分

4 计算结果

4.1 静力分析

施加自重力场，变形见图4。

图4 自重作用下桥梁变形情况

桥梁的最大位移出现在前面板的中间部位，最大位移为5.28 cm。桥梁在自重作用下的应力见图5。

图5 在自重作用下桥梁的应力情况

桥梁的最大应力出现在左端约束部位，最大应力为18.3 MPa；其他各位置应力均很小。

4.2 模态分析

获得前五阶的频率和对应的振型。见表1和图6-图10。

表1 桥梁的前五阶频率

图6 桥梁的第一阶振型

图7 桥梁的第二阶振型

图8 桥梁的第三阶振型

图9 桥梁的第四阶振型

图10 桥梁的第五阶振型

4.3 地震反应分析

加载读入地震波文件，可以得到到节点X、Y方向和总体的最大位移及其作用位置，同时可以得到最大等效应力以及作用位置。

1）X方向位移。最大位移发生在第127步荷载时，见图11。位移最大为175号节点，最大位移为3.255 mm。该节点的时间历程曲线见图12。从图12中可以得到，除了在第127步荷载下节点达到最大位移外，其他时刻节点位移基本为最大位移的一半。

图11 桥梁X方向的最大位移

图12 桥梁X方向175号节点位移时间曲线

2）Y方向位移。最大位移发生在第137步荷载时，见图13。位移最大点179号节点，最大位移为5.752 mm。该节点的时间历程曲线见图14。从图14可以得到，在第2～6 s之间，该节点的位移较大，其他时刻节点位移较小。

图13 桥梁Y方向的最大位移

图14 桥梁Y方向179号节点位移时间曲线

3）节点总体最大位移。最大位移发生在第126步荷载时，见图15。位移最大为175号节点，最大位移为6.556 mm。

图15 桥梁总体最大位移

4）最大等效应力。节点最大等效应力发生在第106步荷载时，见图16。最大等效应力出现在左端支座节点处，最大等效应力值为1.52 MPa。

图16 桥梁最大等效应力

5 结论

1）该桥第一阶振型自振周期长，固有频率低，在地震响应中占了较大比例。

2）在地震作用下，节点的最大位移和最大等效应力均小于桥梁在其自重作用下的值。

3）在地震作用下，桥梁最大应力发生在支座附近处；而跨中处应力较小，不控制设计。

4）无论在哪种激励下，结构的最大位移值均不超过容许位移值且各单元的最大轴力值均小于最大容许应力值。

因此，可判断该桁架桥梁在7度地震作用下具有较好的抗震性能。