基于ANSYS的桥梁有限元分析解读.docx

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基于ANSYS的桥梁有限元分析解读

引言

桁架常用来增加结构的强度，许多人都熟悉用于桥梁非常精巧的叉支撑系统。

桁架撑杆增强吊桥塔使其不致失稳的作用是不易被忽视的，但在大部分这类桥梁上，垂直的桁架缀板对桥面抗弯曲和扭转变形能力的增强作用，却不是每个人都会注意到的。

1940年11月7日，华盛顿塔科马的照相机商店的巴尼·埃利欧特（BarneyElliott）拍摄了一部影片，许多读者或许看到过这部很著名的影片：

那天狂风速度高达42英里/小时，致使塔科马纽约湾海峡吊桥连续不断地出现蔚为壮观的波浪状起伏，最终导致该桥的坍塌。

建造这座桥时，只用了较短的工字梁而不是桁架缀板来增加桥面刚度——据说是为了美观，那时的桥梁设计越来越热衷于单薄而外表优美的结构。

甚至在建造过程中，这座桥就因为容易在风中出现令人担忧的摇摆而闻名，也因此在当地被昵称为“飞驰的格蒂（GallopingGertie）”。

在1950年重建吊桥时用了桁架加强肋，新桥不再受振动的影响，因为正是振动导致原桥的坍塌。

此例不仅很好地说明了桁架的重要应用价值，可能更多地还是体现了工程中谨慎和谦虚的价值。

中国是一个5000年文字记载历史的伟大国家。

我国幅员辽阔，地形东南低而西北高，河道纵横交错，有著名的长江、黄河和珠江等流域，这里孕育了中华民族，创造了灿烂的华夏文化。

在历史的长河中，中华民族建设了数以千万计的桥梁，成为华夏文化的重要组成部分。

中国古代桥梁的辉煌成就举世瞩目，曾在东西方桥梁发展史中，占有崇高的地位，为世人所公认。

随着社会经济和科学技术的快速发展，造桥技术不断进步。

桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展。

同时，桥梁的载重、跨径和桥面宽不断增长，结构形式不断变化，传统的桥梁平面杆系结构程序也越来越不能满足设计要求。

有限元分析软件正是这种综合程序的代表。

它可以模拟桥梁钢筋预应力的松弛、混凝土的开裂以及温度应力等因素对桥梁的影响。

同时也可以方便地计算出箱梁的畸变应力、剪力滞效应以及桥梁构件与支撑部位的接触状态。

桥梁结构是土木行业中常见的建筑工程结构之一。

对桥梁进行较为精确的受力分析，合理模拟其各种工况下的动态响应．对于桥梁的设计与安全控制有着十分重要的现实意义。

桁架桥指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁。

桁架桥之所以广泛应用得益于其施工工期较短且施工阶段不妨碍交通．结构本身受力明确、易于分析，对于土质较差地区的地基的要求也不是十分苛刻等诸多优点。

随着计算方法的改进，在同样跨径的桥梁中，因为有成熟的方法和施工技术作保障，桁架桥往往成为首选。

借助于预应力技术的发展．桁架桥将会拥有一个更加广阔的前景。

本课题采用有限元分析法，在大型有限元分析软件ANSYS平台上分析桥梁工程结构，很好地模拟桥梁的受力、应力情况等。

在静力分析中，通过加载各种载荷，得出其位移、应力等云图，找出桥梁的危险区域；在模态分析中，精确表达结构的自振频率、振动振型等特性。

利用有限元软件对桥梁结构进行全桥模拟分析，可以得出较准确的分析结果。

第1章绪论

1.1论文选题的背景和意义

供铁路、道路、渠道、管线、行人等跨越河流、海湾、湖泊、山谷、低地或其他交通线路时使用的建筑结构称为桥梁。

桥梁是公路、铁路、港口、码头、乡村道路及水利设施等各种道路工程的关键节点，是线路在跨越障碍时的延伸和连接部分。

如今，大力发展交通运输事业，建立四通八达的公路、铁路交通网，对促进交流、发展经济、提高国力，具有十分重要的意义。

在公路、铁路线路中，桥梁、涵洞是其重要组成部分。

从技术上讲，一座重要的特大跨度桥梁通常会集中体现出一个国家在工程设计、建筑材料和制造工艺等方面的水平。

从经济上讲，一条线路上桥涵的造价通常要占到总造价的10%～20%（对山区铁路，比值会更高）。

从美学上讲，桥梁不仅仅是满足使用要求的工程结构物，还常作为建筑艺术实体永久地存在于社会生活之中。

工程宏大、结构造型雄伟壮观的城市立交、高架桥，往往成为一座城市的标志。

桥梁作为土木工程之花，盛开遍布在城市乡村。

古代桥梁大致指19世纪中叶以前所修建的桥梁。

这些桥梁的设计和施工完全依靠建造者的经验，没有力学知识的指导。

建桥材料以天然的或加工过的木材、石材为主，及竹索、藤索、铁索、铸铁乃至锻铁。

在桥式方面，有梁、拱、索桥三大类。

当时技术落后，工具简陋，不会修建深水基础，施工周期也长。

现代桥梁指19世纪后期以来，由工程师使用工程力学、设计规范及桥梁知识所兴建的桥梁。

19世纪20年代，世界上出现铁路。

现代桥梁主要是为适应铁路建设的需要，在19世纪后期逐步发展起来的。

20世纪初，钢筋混凝土也逐渐受到桥梁界的重视，开始用于中、小跨度桥梁。

建桥工具得到很大发展，出现了蒸汽机、打桩机、电动工具、风动工具、起重机具、铆钉机等。

在深水基础方面，可以施工沉井、压气沉箱和大直径桩。

从20世纪30年代起，随着汽车工业的发展，公路桥梁也开始大力发展。

可以把在20世纪50年代发展起来的、主要为公路和城市道路服务的桥梁称之为当代桥梁。

在材料方面，除常规钢材和钢筋混凝土外，还有预应力混凝土、高强螺栓、高强钢丝、低合金钢以及其他新型材料。

用于桥梁建造的机具和设备有焊接机、张拉千斤顶、振动打桩机、水上平台、大吨位起重机和浮吊、钻孔机等。

在桥梁基础方面，可修建高位承台、大直径打入斜桩和就地灌注桩、浮运沉井等。

在梁、拱和悬索桥等基本桥式的基础上，发展了许多新式桥型和构造，如连续刚构桥、斜拉桥、梁拱组合体系、箱形梁、结合梁、正交异性钢桥面板等。

结构设计理论得到改进，逐步从容许应力法向极限状态法发展；结构分析也更加注重大跨、柔细结构的振动（地震、风振）问题。

施工技术和工艺得到重视，出现了不少新的施工方法，如悬臂施工、转体施工、浮运法以及整体吊装等。

随着社会经济和科学技术的快速发展。

造桥技术不断进步。

桥梁结构逐步向轻巧、纤细方面发展。

同时，桥梁的载重、跨径和桥面宽不断增长，结构形式不断变化，传统的桥梁平面杆系结构程序也越来越不能满足设计要求。

有限元分析软件正是这种综合程序的代表。

它可以模拟桥梁钢筋预应力的松弛、混凝土的开裂以及温度应力等因素对桥梁的影响。

同时也可以方便地计算出箱梁的畸变应力、剪力滞效应以及桥梁构件与支撑部位的接触状态。

桥梁结构是土木行业中常见的建筑工程结构之一。

对桥梁进行较为精确的受力分析。

合理模拟其各种工况下对受力情况对于桥梁的设计与安全控制有着十分重要的现实意义。

1.2国内外研究现状

在人类文明的发展历史上，桥梁占有重要的地位。

古代桥梁多以木、石、藤、竹乃至皮革之类的天然材料制成，我国古代木桥和石桥曾长时间占据世界领先地位；炼铁技术成熟以后，我国又建成了大量的铁索桥，被世界公认为最早的悬索桥，中国古代桥梁技术曾经有过辉煌的业绩。

建国至今,我国桥梁技术迅猛发展,特别是跨度方面,已经成功的位居世界先进水平。

其中我国重庆石板坡长江大桥（主跨330m）为世界最大的预应力混凝土梁桥，虎门辅航道桥（主跨270m）和黄石长江大桥（主跨245m）也名列前10;世界最大混凝土桥为我国万县长江大桥（主跨420m）,江界河大桥（主跨330m）和缁江大桥（主跨312m）分居第3、4。

同时,世界最大斜拉桥为我国苏通长江大桥（主跨1088m）,其后9名中我国桥梁就占据6个席位。

世界10大悬索桥,我国也占据2个名次。

十八世纪英国工业革命后，欧美各国率先进入了近代桥梁建设时期，1779年英国煤溪谷（Coalbrookdale）铸铁拱桥（主跨30.65m）的诞生标志着用天然材料建造桥梁历史的结束，而1883年美国486m跨径的布鲁克林（Brooklyn）悬索桥和1890年苏格兰520m跨径的福思（Forth）湾悬臂桁架桥的建成更是代表了近代桥梁的巅峰。

进入二十世纪后，随着钢结构和混凝土技术的不断成熟，桥梁工程进入了新的发展时期，特别是大跨度桥梁的建设取得了惊人的发展和进步。

其中，美国率先突破桥梁千米跨度记录——1931年建成的纽约华盛顿桥（中跨1067m）和1937年建成的旧金山金门大桥（中跨1280m）；英国在二次大战后也在桥梁工程方面延续着战胜国的强劲势头，并以1410m跨度的亨伯大桥刷新了记录；日本在渡过了战后最困难时期后开始实施宏伟的连岛工程计划，建成了世界最大跨度的桥梁——1991m跨度的明石海峡大桥；丹麦、瑞典和土耳其等国也紧跟跨海工程的潮流，到上个世纪末，这六个国家都拥有了千米级的大桥；此外，德国和法国在斜拉桥建设方面不断创新，也取得了巨大的成功。

桥梁风振研究始于发生Tacoma桥风毁事故的1940年，60多年来，世界各国对于桥梁风振进行了大量深入的研究，取得了巨大的成就。

风对桥梁结构的动力作用激发了桥梁风致振动，而振动起来的桥梁又可能反过来改变流场和空气力，形成风与结构的相互作用。

当空气力受结构振动影响较小时，空气力作为一种迫力，主要导致桥梁结构的强迫振动—随机抖振；当空气力受结构振动影响较大时，受振动结构反馈作用的空气力则主要表现为一种自激作用，导致桥梁结构的自激振动—涡振、颤振或驰振。

因此，桥梁风致振动一般可分成四种形式，即颤振、驰振、涡振和抖振，其中驰振极少可能在主梁上发生，而抖振是一种机理比较明确的随机振动现象，重点是研究颤振和涡振的机理及评估方法。

桥梁颤振是一种发散性的自激振动，主要是由于振动结构能够在流动的空气中不断吸收能量，而该能量又大于结构阻尼在振动中所耗散的能量。

当气流经过流线形断面时，气流的流动速度主要影响或改变了流线型断面扭转和弯曲自由度运动之间的振幅以及相位关系，从而引起不同自由度之间的耦合振动和气动负阻尼，导致扭弯耦合颤振；当气流绕过钝体断面时，气流的流动速度主要影响或改变了钝体断面扭转自由度运动的振幅以及相位，从而引起扭转振动和气动负阻尼，导致扭转颤振。

对于一般介于流线型和钝体之间的桥梁断面，有可能产生从扭转颤振到耦合颤振的各种情况。

早期结构抗震计算采用的是静力理论，即忽略了地面运动特性与结构的动力特性因素，简单地把结构在地震时的动力反应视作静力作用于结构物上进行抗震计算。

随后的地震震害资料分析和对地震作用的深入研究，抗震计算的静力理论愈来愈暴露出它的不合理程度。

上世纪40年代，对地震作用提出了反应谱理论，50年代后已被各国的抗震规范所应用。

反应谱法还是采用“地震荷载”的概念,但在计算最大地震力时,同时考虑了地面运动和结构的动力特性,比静力法有很大的进步。

结构在强震作用下，通常都要进入弹塑性范围，产生较大的塑性变形，利用结构延性抗震。

进入上世纪80年代后，随着计算机技术的广泛应用和强震记录的增多,动态时程非线性分析方法得到了很好的应用。

动态时程分析法采用多节点多自由度的结构有限元动力计算图式,把地震强迫振动的激振——地震加速度时程直接输入,应用专门计算程序对结构进行地震时程动力反应分析。

动态时程分析法可以考虑各种不同的因素，诸如结构的各种复杂非线性因素、结构-地基-土的相互作用、地震波相位差及不同地震波多分量多点输入,以及分块阻尼等问题，使桥梁抗震计算分析结果更加符合实际震害现象。

在苏联、美国和西德等国家，还推广采用先简支后连续式的桥跨结构，以有利于结构的标准化。

在设计理论方面，目前国外已从容许应力方法过渡到极限状态设计，有些国家并从强度极限状态推广到挠度、裂缝、振动、疲劳的极限状态负荷能力。

由于电子计算机的发展，结构的受力分析可由简化的平面问题过度到较为精确的空间立体计算，对于超静定次数很高的结构，不但能大大加快计算速度，而且可能进行结构的优化设计。

随着计算机速度的发展，近年来，增量动力分析（IncrementalDynamicAnalysis）方法在结构抗震方面研究的应用引起了许多学者的关注，IDA可以看作是时程分析方法的延伸，它不再是对结构在某一确定地震荷载“点”的动力反应分析，而是通过一组不同强度的地震波将“点”分析连成了“线”分析，甚至通过结构在几条地震波下的IDA，将“线”分析拓展为“面”分析，增量动力分析是逐级施加地震动荷载来研究结构整个损伤、破坏过程，得到桥梁结