劉雙

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225101）

基于ANSYS的直線連續(xù)型鋼桁架橋力學(xué)分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉雙

（江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225101）

直線連續(xù)型鋼桁架是橋梁的主要結(jié)構(gòu)型式之一。利用ANSYS14.0軟件，在初始設(shè)定及加載條件保持基本不變的前提下，對(duì)直線連續(xù)型鋼桁架的不同結(jié)構(gòu)、不同簡(jiǎn)支方式進(jìn)行相應(yīng)有限元建模力學(xué)分析。結(jié)果表明，三種結(jié)構(gòu)中，對(duì)稱型結(jié)構(gòu)較為合理，增強(qiáng)型結(jié)構(gòu)對(duì)整體力學(xué)性能影響較??；三種簡(jiǎn)支方式中，分散鉸接簡(jiǎn)支方式下鋼桁架橋力學(xué)性能最優(yōu)，桁架中間段形變嚴(yán)重的問題可以通過局部釋放約束的方法加以解決。

連續(xù)型鋼桁架；ANSYS；力學(xué)分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

隨著制造工藝、設(shè)計(jì)水平和新型材料等方面的不斷進(jìn)步，鋼桁架橋成為橋梁設(shè)計(jì)的主流類型之一。由于其自重較輕、施工簡(jiǎn)便、桿件受力形式較為簡(jiǎn)單、連梁形式大大改善了其他連梁結(jié)構(gòu)形式的延性及抗震性能，近年來鋼桁架橋得到了飛速發(fā)展。我國的南京長(zhǎng)江大橋、日本的生月橋、加拿大的魁北克橋，均采用了桁架結(jié)構(gòu)。鋼桁架的類別主要有曲線連續(xù)型和直線連續(xù)型兩種。直線連續(xù)型鋼桁架橋外形簡(jiǎn)單有序，具有施工質(zhì)量易于控制、吊裝方便和施工周期短等特點(diǎn)，本文主要研究直線連續(xù)型鋼桁架，通過結(jié)構(gòu)型式及簡(jiǎn)支方式的調(diào)整，結(jié)合有限元軟件，對(duì)其進(jìn)行力學(xué)分析及結(jié)構(gòu)性優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 ANSYS14.0的初始設(shè)置

在ANSYS14.0的預(yù)處理階段，選定structural。在單元類型上，選定link，選取3D finit stn 180。在實(shí)常數(shù)上，設(shè)定其截面面積為0.25。在材料屬性上，設(shè)定其彈性模量為2.1E11，設(shè)定其泊松比為0.3。

2 實(shí)際工程的模型簡(jiǎn)化

直線連續(xù)型鋼桁架橋在模型簡(jiǎn)化上，采用最基本的桿件組成三桿桁架，三桿桁架結(jié)構(gòu)是工程上一種較為常用的結(jié)構(gòu)。由三桿桁架依次沿直線搭接成桁架橋。在橋與岸的搭接上采用限制垂直方向位移的桿連接，保證車輛上下橋的便捷。其簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)主要有一致型、對(duì)稱型和加強(qiáng)型3種。三種結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)基本一致，在建模時(shí)設(shè)定的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)均為24個(gè)。如圖1至圖3所示。

圖1 一致型結(jié)構(gòu)模型

圖2 對(duì)稱型結(jié)構(gòu)模型

圖3 加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)模型

3 模型加載及試驗(yàn)結(jié)果

3.1 簡(jiǎn)化模型的加載

三種簡(jiǎn)化模型采用相同的加載方式，如圖4所示。采用一端鉸接，一端移動(dòng)的整體約束方式。載荷采用集中載荷。設(shè)定車輛在桁架橋中心位置，重10 000 N，行駛下對(duì)橋產(chǎn)生的水平方向的摩擦力為3 000 N，桁架橋所用桿件單位長(zhǎng)度重量為100 N，進(jìn)行模型載荷的設(shè)置。

圖4 桁架橋模型加載

3.2 簡(jiǎn)化模型下的形變?cè)茍D及分析

三種簡(jiǎn)化模型中，加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)模型由于桿件數(shù)量增加，其載荷值也略微增加。通過ANSYS14.0求解器求解，其相應(yīng)的形變?cè)茍D如圖5至圖7所示。

圖5 一致型結(jié)構(gòu)模型的形變?cè)茍D

圖6 對(duì)稱型結(jié)構(gòu)模型的形變?cè)茍D

圖7 加強(qiáng)型結(jié)構(gòu)模型的形變?cè)茍D

桁架的幾何尺寸、結(jié)點(diǎn)間的相互位置及其連接方式對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)有所影響。從圖5、圖6及圖 7可以看出，三者的絕對(duì)形變量依次為0.141E-4、0.139E-4、0.138E-4。其中，圖5與圖6在桿件數(shù)量及長(zhǎng)度、約束及載荷等條件完全一致的情形下，對(duì)稱性結(jié)構(gòu)模型的形變量減少0.002E-4，減少比率為1.43%，形變狀況有了一定改善。桁架橋中段形變最大，為此在該段增加了桿件，以提高其強(qiáng)度。從圖6與圖7的比較來看，形變量減少0.001E-4，減少比率為0.72%，減少量并不明顯。

3.3 模型的簡(jiǎn)支方式調(diào)整

在載荷條件基本不變的情形下，把一端鉸接、一端移動(dòng)的簡(jiǎn)支方式調(diào)整為兩點(diǎn)鉸接的約束方式，如圖8和圖9所示。

圖8 兩端鉸接的簡(jiǎn)支方式

圖9 分散鉸接的簡(jiǎn)支方式

如圖4、圖8及圖9所示，簡(jiǎn)支方式雖然進(jìn)行了調(diào)整，但桁架橋兩端與岸相接部分的桿件仍保持了限制Y方向自由度的約束。

3.4 簡(jiǎn)支方式下的形變?cè)茍D及分析

簡(jiǎn)支方式變化下的形變?cè)茍D如圖10、圖11所示。

圖10 兩端鉸接簡(jiǎn)支方式下的形變?cè)茍D

圖11 分散鉸接簡(jiǎn)支方式下的形變?cè)茍D

從圖7、圖10及圖11可以看出，三者的絕對(duì)形變量依次為0.139E-4、0.707E-5、0.114E-5。在主體桁架橋結(jié)構(gòu)形式、載荷條件均不變的情況下，形變量絕對(duì)值及相對(duì)值均發(fā)生了較大的變化。對(duì)比圖7與圖10可以看出，簡(jiǎn)支方式從一端鉸接、一端移動(dòng)調(diào)整為兩端鉸接之后，絕對(duì)形變量減少了 0.683E-5，減少比率為49.1%，減少量非常明顯。對(duì)比圖10與圖11可以看出，在簡(jiǎn)支方式維持兩點(diǎn)鉸接不變的情形下，把兩端鉸接調(diào)整為分散鉸接之后，絕對(duì)形變量減少了0.593E-5，減少比率為83.9%，形變控制的效果非常顯著。

4 結(jié)論

從對(duì)直線連續(xù)型鋼桁架橋的分析可以看出，在初始設(shè)定及加載條件保持基本不變的前提下，通過對(duì)其不同結(jié)構(gòu)、不同簡(jiǎn)支方式的有限元分析，直線連續(xù)型鋼桁架橋的形變情況發(fā)生了一定的變化。在結(jié)構(gòu)形式從一致型、對(duì)稱型到加強(qiáng)型的變化之下，其形變量的變化幅度非常小，從節(jié)省材料、縮短時(shí)間的角度而言，選用對(duì)稱型結(jié)構(gòu)較為合理，若是要提高其安全系數(shù)，可以采用加強(qiáng)型的對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

在簡(jiǎn)支型式從一端鉸接、兩端鉸接到分散鉸接的變化之下，其形變量的變化幅度，不論其絕對(duì)值還是相對(duì)值，都非常明顯。雖然兩點(diǎn)鉸接下直線連續(xù)型鋼桁架橋的形變量小，但是從鉸接支座的制造來看，其工程量及工程難度與地質(zhì)狀況關(guān)系較大，經(jīng)濟(jì)性較差，工程時(shí)間較長(zhǎng)。若是直線連續(xù)型鋼桁架橋?yàn)榫仍畱?yīng)急用或臨時(shí)交通用，在跨度較小的情形下，可以采用一端鉸接、一端移動(dòng)的簡(jiǎn)支方式；在跨度較大的情形下，可以采用兩端鉸接的方式。若是作為長(zhǎng)期交通運(yùn)輸用，在對(duì)通航?jīng)]有要求的情形下，可以采用分散鉸接的方式；若要預(yù)留后續(xù)通航空間及提高直線連續(xù)型鋼桁架橋的使用壽命，可以把中間桁架改為半固定式或可旋轉(zhuǎn)起吊式。這與同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院周奇才教授為克服傳統(tǒng)基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)最優(yōu)解的束縛而提出的將連續(xù)體與離散桿系相結(jié)合的桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，其思路是基本一致的。直線連續(xù)型鋼桁架橋的這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，解除了桁架局部自由度的束縛，消除了局部形變過大對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響，無疑是其工程應(yīng)用上的一個(gè)很好例證。

[1]戴競(jìng).大跨徑橋梁橋型比較[J].公路,2000(4):1-6.

[2]鄧志恒,胡強(qiáng),潘志明,等.鋼桁架連梁耗能性能試驗(yàn)研究及損傷分析[J].自然災(zāi)害學(xué)報(bào),2009(6):38-43.

[3]敖勇,楊月紅.曲線與直線連續(xù)型鋼桁架橋結(jié)構(gòu)性能對(duì)比[J].湖南城市學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(2):1-4.

[4]呂建國,胡仁喜.ANSYS14.0有限元分析入門與提高[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2013.

[5]馬雪潔.基于ANSYS的桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].焦作大學(xué)學(xué)報(bào), 2004(4):22-23.

[6]葉友東,王雅.基于ANSYS分析的三桿桁架優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].煤礦機(jī)電,2004(5):113-116.

[7]王輝明,趙文,樂風(fēng)江.基于有限元分析的平面桁架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J].新疆大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2004(4): 434-437.

[8]周奇才,吳青龍,熊肖磊,等.桁架結(jié)構(gòu)拓?fù)浼敖孛娉叽鐑?yōu)化設(shè)計(jì)方法[J].西安交通大學(xué)學(xué)報(bào),2016(9):1-9.

［責(zé)任編輯：秦錦文］

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

劉雙（1982-），男，湖北天門人，講師，碩士，研究方向：教育教學(xué)理論、機(jī)械工程裝備。