基于ANSYS的直線連續型鋼桁架橋力學分析及優化設計

劉雙

（江海職業技術學院，江蘇揚州225101）

基于ANSYS的直線連續型鋼桁架橋力學分析及優化設計

劉雙

（江海職業技術學院，江蘇揚州225101）

直線連續型鋼桁架是橋梁的主要結構型式之一。利用ANSYS14.0軟件，在初始設定及加載條件保持基本不變的前提下，對直線連續型鋼桁架的不同結構、不同簡支方式進行相應有限元建模力學分析。結果表明，三種結構中，對稱型結構較為合理，增強型結構對整體力學性能影響較小；三種簡支方式中，分散鉸接簡支方式下鋼桁架橋力學性能最優，桁架中間段形變嚴重的問題可以通過局部釋放約束的方法加以解決。

連續型鋼桁架；ANSYS；力學分析；優化設計

0 引言

隨著制造工藝、設計水平和新型材料等方面的不斷進步，鋼桁架橋成為橋梁設計的主流類型之一。由于其自重較輕、施工簡便、桿件受力形式較為簡單、連梁形式大大改善了其他連梁結構形式的延性及抗震性能，近年來鋼桁架橋得到了飛速發展。我國的南京長江大橋、日本的生月橋、加拿大的魁北克橋，均采用了桁架結構。鋼桁架的類別主要有曲線連續型和直線連續型兩種。直線連續型鋼桁架橋外形簡單有序，具有施工質量易于控制、吊裝方便和施工周期短等特點，本文主要研究直線連續型鋼桁架，通過結構型式及簡支方式的調整，結合有限元軟件，對其進行力學分析及結構性優化設計。

1 ANSYS14.0的初始設置

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

2 實際工程的模型簡化

直線連續型鋼桁架橋在模型簡化上，采用最基本的桿件組成三桿桁架，三桿桁架結構是工程上一種較為常用的結構。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。其簡化模型結構主要有一致型、對稱型和加強型3種。三種結構總體結構基本一致，在建模時設定的關鍵節點均為24個。如圖1至圖3所示。

圖1 一致型結構模型

圖2 對稱型結構模型

圖3 加強型結構模型

3 模型加載及試驗結果

3.1 簡化模型的加載

三種簡化模型采用相同的加載方式，如圖4所示。采用一端鉸接，一端移動的整體約束方式。載荷采用集中載荷。設定車輛在桁架橋中心位置，重10 000 N，行駛下對橋產生的水平方向的摩擦力為3 000 N，桁架橋所用桿件單位長度重量為100 N，進行模型載荷的設置。

圖4 桁架橋模型加載

3.2 簡化模型下的形變云圖及分析

三種簡化模型中，加強型結構模型由于桿件數量增加，其載荷值也略微增加。通過ANSYS14.0求解器求解，其相應的形變云圖如圖5至圖7所示。

圖5 一致型結構模型的形變云圖

圖6 對稱型結構模型的形變云圖

圖7 加強型結構模型的形變云圖

桁架的幾何尺寸、結點間的相互位置及其連接方式對優化設計有所影響。從圖5、圖6及圖 7可以看出，三者的絕對形變量依次為0.141E-4、0.139E-4、0.138E-4。其中，圖5與圖6在桿件數量及長度、約束及載荷等條件完全一致的情形下，對稱性結構模型的形變量減少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 模型的簡支方式調整

在載荷條件基本不變的情形下，把一端鉸接、一端移動的簡支方式調整為兩點鉸接的約束方式，如圖8和圖9所示。

圖8 兩端鉸接的簡支方式

圖9 分散鉸接的簡支方式

如圖4、圖8及圖9所示，簡支方式雖然進行了調整，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 簡支方式下的形變云圖及分析

簡支方式變化下的形變云圖如圖10、圖11所示。

圖10 兩端鉸接簡支方式下的形變云圖

圖11 分散鉸接簡支方式下的形變云圖

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

4 結論

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

在簡支型式從一端鉸接、兩端鉸接到分散鉸接的變化之下，其形變量的變化幅度，不論其絕對值還是相對值，都非常明顯。雖然兩點鉸接下直線連續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狀況關系較大，經濟性較差，工程時間較長。若是直線連續型鋼桁架橋為救援應急用或臨時交通用，在跨度較小的情形下，可以采用一端鉸接、一端移動的簡支方式；在跨度較大的情形下，可以采用兩端鉸接的方式。若是作為長期交通運輸用，在對通航沒有要求的情形下，可以采用分散鉸接的方式；若要預留后續通航空間及提高直線連續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起吊式。這與同濟大學機械與能源工程學院周奇才教授為克服傳統基結構設計方法對最優解的束縛而提出的將連續體與離散桿系相結合的桁架結構優化設計方法，其思路是基本一致的。直線連續型鋼桁架橋的這種結構優化設計方法，解除了桁架局部自由度的束縛，消除了局部形變過大對整體結構的影響，無疑是其工程應用上的一個很好例證。

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［責任編輯：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：教育教學理論、機械工程裝備。