車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋應力時變分析

張筠松，何曉暉，高磊，張宇

（1.解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007；2.成都軍區善后辦公室房管局，四川成都610017）

車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋應力時變分析

張筠松1，何曉暉1，高磊1，張宇2

（1.解放軍理工大學野戰工程學院，江蘇南京210007；2.成都軍區善后辦公室房管局，四川成都610017）

為分析車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋應力時變特性，建立了車輛荷載模型和鋼桁架橋三維有限元模型，利用ANSYS仿真分析技術對鋼桁架橋進行車輛荷載的通載加載，得到整橋的應力云圖和各桿件最大應力的時程曲線；相同條件下，得到了多次通載下單元的最大應力時變規律，為鋼桁架橋的承載力時變分析提供了一定的仿真依據。

鋼桁架橋；車輛荷載；仿真；應力；時變

裝配式鋼桁架橋[1]是一種能快速架設、撤收，且靈活機動的移動式橋梁，其具有結構簡單、能夠承受的最大荷載的級別高、互換性好以及地形適應能力強等特點。裝配式鋼桁架橋不僅在軍事運輸、搶險救災等方面具有重要作用，在平時的交通工程建設保障中也發揮著重要作用。車輛荷載作為鋼桁架橋的主要承受載荷，橋梁結構在各種車輛載荷的作用下，橋梁的應力會隨著時間的變化而變化。本文利用ANSYS對裝配式鋼桁架橋進行通載仿真分析，以分析橋梁應力的時程變化情況。

1分析模型的建立

1.1 車輛荷載模型

當車輛在橋梁上通行時，車輛和橋梁會產生耦合振動作用，合理的車輛荷載模型[2]能盡可能的反映車輛真實的物理特征，同時也不會使計算量大幅增加。王少欽[3]在比較了移動荷載模型和移動質量模型后，得出如下結論：車輛質量與橋梁質量相比很小或車輛質量相對較大但車速較低時，可使用移動荷載來模擬車輛過橋時的動力作用；而當車輛質量相對較大且速度較高時，必須用移動質量來模擬以確保模型的正確性。

本文的車輛荷載選取重量為60 t的某履帶式荷載，質量相比于橋梁較大，通行速度5 km/h相對較小，因此可以將車輛模型簡化為移動常量力模型如圖1所示。

圖1 移動常量力模型

1.2 橋梁有限元模型

用參數化建模[4]的方式在ANSYS中建立橋梁三維模型，橋梁長度51m，由六個橋節組成，橋節之間采用耦合連接。材料為DB685鋼，屈服強度為590 MPa，材料容重為7.85×10-5N/mm2，彈性模量為E=2.1×105N/mm2.上下弦桿采用beam188單元，其余桿件采用桿單元Link8.建立模型時不考慮橋面板，兩端各留出兩米作為支撐，得到的橋梁整體模型如下圖2所示。

圖2 橋梁整體模型

桁架結構部分由5種桿件組成，分別是上弦桿1、上弦桿2、斜腹桿、直腹桿和下弦桿。桿件具體結構如圖3所示。

圖3 各桿件結構示意圖

2裝配式鋼桁架橋應力時程分析

對裝配式鋼桁架橋進行單次通載瞬態動力學[5]仿真分析，載荷為60 t，通載速度5 km/h，載荷步設置為自動時間步，步數設置為46步，打開大變形開關，得到整橋的應力云圖如圖4所示。

圖4 整橋應力云圖

從圖4可知，橋梁從兩邊越向中間桿件應力越大，最大應力桿件出現在橋梁中間的下弦桿處。從結構上來說，下弦桿處于倒三角桁架結構中的最下方，是主要的承力結構，承受荷載時受到兩邊的拉扯作用，因此承受最大的受拉應力。進一步提取各個桿件的最大應力時程曲線如圖5所示。

圖5各桿件最大應力時程曲線圖

圖5 進一步解釋了應力云圖中應力的分布情況，可知桿件2和桿件3收到拉應力作用而其余的3個桿件都受到壓應力作用。桿件3的應力要遠遠大于其它桿件而且桿件3的動態響應也明顯大于其它桿件，由于裝配式鋼桁架橋屬于超靜定結構，在分析應力時變時可以選擇最不利桿件為研究對象，因此通過應力的時程分析可知下弦桿可以作為最不利桿件。

3裝配式鋼桁架橋最大應力時變分析

通過桿件時程分析可知最大應力位于橋梁中間的下弦桿處，提取附近單元的的應力值得到最大應力單元為362單元，其應力時程曲線圖如圖6所示。從圖中可知應力數值并不完全符合光滑的曲線，這是由于車橋耦合振動下的動態響應[6]導致應力值出現范圍波動情況，數值的偏差性從另一個方面也反映出橋梁動態響應的高低程度。

圖6 362單元應力時程曲線

一般來說裝配式鋼桁架橋在車輛荷載的反復作用下，橋梁會出現疲勞效應從而導致橋梁整體的承載力會出現下降，反映在個各桿件上則是桿件應力值的增加。桿件在長期荷載的作用下鋼材屈服強度下降，在同樣荷載下，桿件需要承受更大的應力作用。為了掌握橋梁應力隨時間的變化情況，以362單元為例，多次通載下單元的應力時程曲線圖如圖7所示。

圖7 多次通載下362單元應力時程曲線圖

可以看出，隨著通載次數的不斷增加，每一時刻的單元應力值也相應的增加，從絕對數值上來說增加數值相對原本應力值較小，這是因為鋼材的屈服強度高，剛性較好，應力基數大增長相對比較緩慢。但從相對角度上來說，單元應力值的小幅增加對鋼材也有很大的影響，特別是對于某些關鍵連接部位，應力值的增加會使結構的集中應力陡然增加，極大的危害橋梁結構的安全性能，因此有時在進行橋梁受力分析時需要以最大應力作為安全標準，車輛荷載多次通載下的橋梁最大應力時變曲線如圖8所示。

圖8 最大應力時變曲線圖

通過結果可以看出最大應力隨著通載次數的增加逐步增加，應力最大增幅達到了5.05%，且隨著次數增加應力增長的速度也逐漸變快，可以預測的是當應力增加至某一個臨界時刻值，過大的應力會導致鋼材的應力破壞進而使橋梁結構失效，通常也就是說達到了橋梁的使用壽命。因此最大應力時變曲線圖可以從一定程度上反映橋梁的承載力變化情況，給橋梁的承載力時變評估[7]提供了一定的仿真依據。

4結束語

對車輛荷載作用下裝配式鋼桁架橋進行時變分析，有助于分析荷載通載過程中橋梁整體受力的變化情況，對掌握橋梁受力的時變規律，揭示潛在的荷載危險，指導橋梁通行規則的制定提供了有力的分析依據，具有較大的現實意義。

[1]羅安.重型支援橋極限承載力分析[D].武漢：武漢理工大學，2007.

[2]肖新標，沈火明.3種車橋耦合振動分析模型的比較研究[J].西南交通大學學報，2004，39（2）：172-175.

[3]王少欽，岳祖潤.車輛對橋梁動力作用簡化方法的研究[J].石家莊鐵道學院學報，2005，18（3）：47-51.

[4]龔亞琦，劉小虎，楊文兵.基于ANSYS的橋梁參數化建模[J].中南公路工程，2006，31（4）：77-79，92.

[5]呂彭民，丁智.架橋機主梁結構瞬態動力學[J].長安大學學報，2005，25（4）：80-83.

[6]張彬，柳東委，劉波.移動荷載作用下橋梁的動態響應研究[J].2009（30）：289，323.

[7]楊棟.基于時變可靠度的橋梁剩余承載力評估[D].蘭州：蘭州理工大學，2008.

Time-Varyingstress Analysis Based on Vehicle Load of Prefabricated Truss Bridge

ZHANG Yun-song1，HE Xiao-hui1，GAO Lei1，ZHANG Lei2
（1.College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.Housing Authority of the Chengdu Military Region Rehabilitation Office，Chengdu 610017，China）

In order to analyzing time-varyingstress properties of a prefabricated truss bridge under the influence of vehicle load，first we built a Vehicle load model and a 3-D finite model of the truss bridge.Using the ANSYS technology of simulation-analysis to loading vehicle load on the truss bridge，which provided stress cloud of the whole bridge and the maximum stress time-history curve of every pole；under the same condition，which provided time-vary law of the maximum stress based on multiple loading，which can provide simulation basis of time-varying bearing capacity for truss bridge.

truss bridge；vehicle load；simulation；stress；time-varying

TH 123.4

A

1672-545X（2016）12-0021-03

2016-09-09

張筠松（1992-），男，江西贛州人，碩士研究生，主要從事軍事裝備技術研究；何曉暉（1975-），男，河北深澤人，博士，副教授，研究方向為工程裝備與技術研究。