基于 ANSYS钢桁架桥分析

GXF360 2017-06-22

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基于 ANSYS钢桁架桥分析

哈森雷有坤

（广州大学）

【摘要】处在地震区的土木工程，结构的动力分析和安全可靠性十分重要，特别是大跨度结构（如桥梁，穹顶、网壳等）。本文以某一钢桁架桥为研究对象，采用 ANSYS 进行模态分析，得到自振周期和振型图。为进一步结构的动力分析提供了参数和依据。

【关键词】钢桁架桥；ANSYS；模态分析

1 引言

随着我国炼钢量和炼钢技术的发展，钢结构得到了快速发展。由于钢材质轻，强度大，可回收再利用等特点，被广泛的应用在桥梁工程。本文针对某钢桁架桥进行模态分析，得到其固有频率和前六阶振型。

模态分析的目的是为了识别出模态参数，为整个结构的振动响应、振动破坏诊断和预报、为结构动力特性的优化设计提供前提条件和依据。模态分析可以定义为：将线性时不变系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组耦成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，坐标变换的变换矩阵为振型矩阵，每列即为各阶振型。目前很多有限元软件可以对结构进行模态分析，Ansys 的模态分析是一线性分析，任何非线性特性都将忽略。可以进行有预应力模态分析、大变形静力分析后有预应力模态分析、循环对称结构的模态分析、有预应力的循环对称结构的模态分析、有阻尼和无阻尼结构的模态分析。本文采用 ANSYS 大型通用有限元软件对钢桁架桥进行分析。

2 建模

2.1 工程概况

某工程钢桁架桥跨度 48m，主桁中心距为 8m，主桁高为 8m，主桁节间数 n=6，节间距离为 8m；具体尺寸见图1。

2.2 建模基本假设

⑴所有杆件均属于弹性范围分析，符合虎克定律；

⑵所有铰接属于理想铰接；

⑶所有杆件都是均质的；

2.3 单元选取

图1

钢桁架桥的主桁架的上、下弦梁及横纵梁都采用BEAM4 单元，BEAM4 是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元。这种单元在每个节点上有六个自由度：x、y、z 三个方向的线位移和绕 x、y、z 三个轴的角位移。BEAM4 单元适合于分析从细长的梁构件；桥面板采用shell63 单元。将每个杆件划分为一个单元，共 28 个节点、94 个单元。

该钢桁架桥钢材均选用 Q345 钢，弹性模量为210000MPa，泊松比取 0.3，密度为 7850kg/m3。杆件采用工字形截面，如表 1所示：

表1 某钢桁架杆件规格

杆件型状截面尺寸端部杆件工字形 4 0 0 × 4 0 0 × 1 6 × 1 6 × 1 6上下弦梁工字形 4 0 0 × 4 0 0 × 1 2 × 1 2 × 1 2腹杆工字形 4 0 0 × 3 0 0 × 1 2 × 1 2 × 1 2横梁工字形 4 0 0 × 4 0 0 × 1 2 × 1 2 × 1 2

2.4 施加边缘条件和约束

根据实际工程情况，钢桁架桥的左边采取固定铰支，右边滑动铰支。建立有限元模型。有限元模型如图2。

2.5 模态分析

图2 某钢桁架桥有限元模型

Ansys 的模态的提取方法：分块兰索斯法、子空间迭代法、缩减法、非对称法、阻尼法、QR 阻尼法、变换求解法。分块兰索斯法是一种功能强大的方法，当提取中型到大型模型（50,000～100,000 个自由度）的大量振型时，这种方法很有效，需要较高的内存；子空间迭代法适用于提取中型或大型的较少的振型，相对需要内存较少。其他几种各有各自的优缺点。本文这里采用子空间迭代法，表 2 是得到的自振频率，图3 为前六阶振型图。

表2 某钢桁架桥振型频率