基于ANSYS有限元簡化模型的斜拉橋地震響應分析

辛亞軍，陳 普，程樹良

(1.燕山大學 建筑工程與力學學院，河北 秦皇島 066004;2.錦西化工機械集團有限責任公司，遼寧 葫蘆島 125001)

斜拉橋因其結構合理、外形美觀、造價低、施工方便等突出的優點而成為世界上廣泛采用的橋型［1］，這種橋在地震作用下的響應特性越來越引起人們的關注［2］。以燕宏橋為例，進行ANSYS簡化模型的地震反應有限元分析，分析結果為斜拉橋的抗震設計和加固提供參考。

1 工程概況

以橫跨燕山大學東西校區的燕宏橋為例進行研究，該斜拉橋主橋為獨塔雙索面斜拉橋，跨度為(40+108+16+26)m，結構為墩、塔、梁固結體系。索塔橫向造型為倒Y形，橫向剛度大，有利于橫向穩定。主跨拉索采用半扇形布置，橫向采用A形雙索面布置，有利于主梁抗扭。橋梁的立面圖和俯視圖如圖1所示，橋梁共3組橋墩。

燕宏橋主體部分由主梁、斜拉索和索塔三大部分組成，部分材料參數如表1所示。

圖1 燕宏橋結構示意

表1 材料參數

2 模型建立

首先建立燕宏橋的實體精細ANSYS模型，橋的模型根據橋梁的建筑施工圖完成。主梁、塔墩、橋墩和索塔下部全部用SOLID65三維實體單元模擬，索塔上部用SHELL63殼單元模擬，拉索采用LINK10線單元［3］，模型單元總數為41 171個。完成的有限元模型如圖2所示。

橋墩及索塔下部樁嵌入地表，模擬為固接，索塔與主梁連接處為整體澆筑，使其黏合在一起。拉索錨固區結構形式十分復雜，無法按照真實情況建模，但其連接形式對整體模型影響不大，故采用塔及梁上自然節點建立拉索單元。

模態分析可以確定結構的動力特性，即橋梁的固有頻率和振型。固有頻率和振型是承受動態載荷結構設計的重要參數，是其他動力學分析的起點，例如譜分析、瞬態動力學分析(動力時程分析)。燕宏橋的前三階振型和頻率如圖3所示。

如前所述的 ANSYS模型單元數量龐大，用 ANSYS進行地震反應分析比較困難，計算時間長，計算結果文件很大。因此，本文提出對有限元模型進行簡化，總體原則是保持振動特性基本一致，方法是將箱型的主梁簡化為混凝土實體梁，索塔簡化為實體。簡化模型如圖4所示，簡化模型與精細模型的前三階頻率對比如表2所示，可以看出誤差不大，可以保證使用簡化模型提供的計算結果與精細模型一致，用來作進一步分析。

圖2 有限元精細模型

圖3 斜拉橋模型振型和頻率

圖4 有限元簡化模型

表2 精細模型和簡化模型頻率對比

3 燕宏橋地震反應分析

對燕宏橋進行地震作用下的反應分析，以Elcentro地震波為例，計算其縱向輸入情況下燕宏橋的地震響應，加速度峰值調至4.0 m/s2(8級大震)，如圖5為Elcentro地震波的加速度時程曲線。

圖5 Elcentro波加速度時程曲線

3.1 下部結構響應

高橋墩的破壞類型大多為彎曲型破壞，矮橋墩的破壞大多為剪切型破壞。燕宏橋的橋墩是實心橋墩，高度為8 m左右，不屬于高橋墩，所以不容易發生彎曲型破壞。1#至3#橋墩底部剪切應力的時間歷程曲線如圖6所示。

由圖6可以看出三組橋墩所受剪應力的情況非常近似，峰值也很接近，其中最大峰值出現在3#橋墩，絕對值為18.883 MPa。

3.2 上部結構響應

圖7為橋面和索塔中部的加速度時程曲線，由圖7可知，橋面中部加速度放大了3倍左右，索塔中部加速度放大了10倍左右，均在正常范圍之內。

圖6 3組橋墩剪應力時程曲線

圖8為橋面結構和索塔中部位移時程曲線。通過對比可以看出，橋面最大位移出現在右側4#橋墩處，其峰值為 －0.031 5 m，右側邊墩帽梁寬0.625 0m，在安全范圍之內，不會發生落梁危險。

3.3 斜拉索響應

因為燕宏橋整體結構關于縱軸對稱，而地震為縱向輸入，所以對斜拉索的分析只需取一側即可，圖9為單側14根拉索中正面和背面應力較大的兩根索的應力時程圖。

經過對索塔右側A1-A11號索和背索B1-B3號索所受應力對比，可以看出背索變化速度較正面索變化速度快，是由于背索直接錨固于地表的緣故。全部14根拉索所受應力時程曲線基本保持一致，都在拉索初應力上下波動，峰值出現時刻大致相同，其中A7索峰值最大為 42.2 MPa，遠遠小于拉索的標準強度值1 670 MPa。

圖7 上部結構加速度反應

圖8 上部結構位移反應

圖9 索的應力時程曲線

4 結論

本文采用ANSYS針對一座斜拉橋分別建立了動力分析的精細模型和簡化模型，在簡化模型和精細模型動力特性一致的基礎上，對簡化模型進行了Elcentro地震波作用下的地震反應分析。分析結果顯示橋梁的下部結構，包括塔墩和橋墩，在縱向地震作用下剪切應力曲線基本保持一致，數值相差不大;上部結構最容易發生的破壞是落梁，本例橋面最大位移在安全范圍之內，加速度放大倍數正常;斜拉索最大應力值遠小于極限值。本文采用的計算方法和分析結果可以為斜拉橋的設計和計算提供參考。

［1］林元培.斜拉橋［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］葉愛君，胡世德，范立礎.斜拉橋抗震結構體系研究［J］.橋梁建設，2002(4):1-4.

［3］張立明.Algor、Ansys在橋梁工程中的應用方法與實例［M］.北京:人民交通出版社，2003.

［4］中華人民共和國建設部.GB 50011—2001 建筑抗震設計規范［S］.北京:中國建筑工業出版社，2001.

［5］徐揚，王沖，周凌遠.大跨高墩連續剛構橋地震響應分析［J］.鐵道建筑，2010(2):14-17.