桁架橋有限元分析

摘 要：桁架橋憑借其自身的優(yōu)點，廣泛的應(yīng)用在現(xiàn)實生活中。筆者用ansys 對一個簡單的桁架橋進行建模分析，直觀的觀察桿件的變形情況，并簡要的介紹用 ansys 對桁架橋的建模處理辦法。

關(guān)鍵詞：桁架橋；有限元；變形

中圖分類號：U448.38 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-7712 （2013） 14-0000-01

桁架橋是以桁架作為上部結(jié)構(gòu)主要承重的橋梁，受力明確，易于分析，對地基的要求不嚴(yán)格，施工工期短，在現(xiàn)實中有廣泛應(yīng)用。桁架橋的材料從最早的木材，到現(xiàn)在的鑄鐵，鋼，復(fù)合材料等，其設(shè)計關(guān)鍵在于，上弦桿，下弦桿，豎桿以及腹桿之間節(jié)點的連接。近年來，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的廣泛應(yīng)用，高強螺栓的發(fā)展，使桁架橋上了一個新的臺階，桁架橋仍發(fā)揮著其不可替代的作用。因此，分析桁架橋的受力特性具有很強的實際意義。

一、建模方法與實際問題描述

結(jié)構(gòu)的建模與問題的分析類型有關(guān)，不同的分析角度，建模方法異不同。對于桁架橋問題，目前一般的建模方法是采用改進后的B-P-P-BP模型，即將上弦桿，下弦桿，端斜桿，橫向連接的桿件采用梁單元，將其它桿件作為桿件單元，對于橋面板采用橋面板單元。對于預(yù)應(yīng)力的施加問題，采用施加初應(yīng)變的方法來施加預(yù)應(yīng)力，并且只對豎桿和下弦桿施加預(yù)應(yīng)力。

基于ansys10.0，下面舉一個簡單桁架橋進行ansys仿真建模分析。一個桁架橋橋?qū)?2m，橋長72m，高12m，每個節(jié)段長12m。梁單元采用BEAM4單元來進行模擬，每個節(jié)點有6個自由度，包括3個平動和三個轉(zhuǎn)動自由度，桿單元采用LINK8單元來模擬，橋面板單元用SHELL63來模擬。

（一）建模假設(shè)

假定結(jié)構(gòu)不發(fā)生預(yù)應(yīng)力損失；忽略橋面板的垂度變化；整個結(jié)構(gòu)自上而下進行建模；順橋方向為X方向，橫向為Y方向，豎向Z方向。

（二）材料屬性

三、計算模型與結(jié)果

（一）桁架橋計算模型如圖一所示：在桁架橋左端加固定鉸支座，在右端加活動鉸支座

（二）求出桁架橋在荷載作用下的整體結(jié)構(gòu)變形圖（保留原有輪廓）

三、結(jié)論與建議

由桁架橋的整體結(jié)構(gòu)變形圖可知，結(jié)構(gòu)的最大變形量發(fā)生在跨中，結(jié)構(gòu)變形中間大，兩端小，同時由結(jié)構(gòu)的整體位移圖可知（本文并未給出），結(jié)構(gòu)不但有Z方向的位移，同時還有X正向的位移。所以，這些變形在設(shè)計桁架橋時都應(yīng)該注意，在變形大的地方，節(jié)點焊接應(yīng)該加強，特別是大跨度的桁架橋，尤應(yīng)注意。

當(dāng)然由結(jié)構(gòu)的軸力圖可知，除了端腹桿的其它腹桿中，最中間的桿件受壓，其它桿件受拉。端斜腹桿受壓，且應(yīng)力絕對值較大，因此把它當(dāng)做梁單元是合適的。同時下面橫梁的軸力顯然要大于上面橫梁的軸力，設(shè)計時下面橫梁應(yīng)該相對加強，橫截面積要比上面橫梁大一些。除此之外，對于混過凝土結(jié)構(gòu)，受拉和受拉要有很大的區(qū)別，混凝土抗拉性能差，因此對于受拉桿件可以配適當(dāng)?shù)念A(yù)應(yīng)力筋。

桁架橋的桿件均已受拉或受壓為主，通過對上下弦桿及腹桿的合理布置，可以很好的適應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部的彎矩和剪力，桁架結(jié)構(gòu)能將復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài)轉(zhuǎn)化為桿件內(nèi)部的簡單拉壓狀態(tài)，能夠直觀的了解桿件的受力變化。這也是桁架橋能夠至今仍能發(fā)揮不可替代作用的原因。

參考文獻：

[1]何本國，陳天宇，汪洋.ANSYS土木工程應(yīng)用實例[M].北京：中國水利水電出版社.

[2]曾攀.有限元分析及應(yīng)用[M].北京：清華大學(xué)出版社.

[3]李亞東.橋梁工程概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社.

[作者簡介]何浩博（1992.08-），男，滿族，河北承德人，河北大學(xué)建筑工程學(xué)院，大學(xué)本科，學(xué)士學(xué)位，研究方向：土木工程。