10m鋁合金廊橋力學性能模擬

■ 陳立超，張書豪，從述玲，李冰，劉瑞萍，孔雪

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鋼材作為常規土木工程建設中常用的材料，因其具有諸多的優良性能得到世界各方面的廣泛認可，但是鋼結構建筑面臨著銹蝕導致的耐久問題，在處于工業環境較惡劣的地區將受到嚴峻考驗。并且鋼結構建筑構件質量較大，給運輸帶來諸多不便。與鋼結構橋梁相比，使用鋁擠壓型材拼裝生產的鋁合金橋梁不但能夠達到常規鋼結構橋梁的使用性能，還能因鋁材特有的耐蝕性能可以大幅減小環境給整個橋梁結構帶來的損傷，同時鋁合金質量較輕，是鋼的三分之一，便于運輸。鋁材還具有良好的易加工性能。正是這些特點使鋁合金成為一種新型的橋梁建筑材料。

有文獻記載，利用CFD模擬軟件fluent對不同流線橋梁風動環境進行模擬，得出結果與試驗結果非常接近，阻力系數誤差小于4%，升力矩小于6%，升力系數小于3%。利用仿真模擬軟件Abaqus對荊沙長江斜拉橋進行了全方位的模擬分析，得到了非常精確的模擬分析結果。本文采用模擬仿真的手段對全鋁廊橋進行了綜合載荷下的力學性能分析機模態與穩定性的分析，得到了橋梁受載情況下的撓度、應力分布、自振頻率及失穩載荷，為鋁合金橋梁的設計提供了參考。

1. 橋梁基本參數

圖1為本模擬中鋁合金廊橋整體結構示意，廊橋整體為鋁擠壓型材螺接，呈桁架結構。

圖1 廊橋結構示意

表1 廊橋模擬參數

2. 有限元模型建立

（1）材料屬性及使用需求

由于廊橋在使用過程中許用工況為材料到達屈服強度以前的線性階段，所以在進行材料屬性采集時僅需輸入材料的彈性模量與泊松比即可，而材料彈性模量與泊松比僅與材料本身成分有關，具體材料屬性如表2所示。

表2 橋梁結構材料屬性

（2）工況說明 廊橋結構靜力學工況施加、荷載施加及約束如圖2所示，橋梁內部地板為主要承載面，圖中約束位置為墻體混凝土，由于墻體部分為實體網格繪制，故僅需約束UX、UY、UZ方向自由度，橋梁其他位置為殼單元組成。

在橋梁使用過程中，需要考量的重要載荷及標準要求如表3所示。在本橋梁設計中，參考國家標準CJJ 69－1995《城市人行與人行地道技術規范》。

3. 模擬結果分析

由于橋梁在正常使用過程中，會承受多方面施加的載荷，本文簡化為3種載荷，分別為人群載荷、雪載荷、風載荷，模擬過程中依次疊加施加。圖3a為施加人群載荷后廊橋撓度，撓度最大值存在于廊橋踏板處7.11mm，廊橋縱梁中部撓度為1.229mm，在國家標準12.5mm要求范圍內。

圖2 載荷與約束

從圖3b中可以看出，廊橋整體應力主要分布在地板及支撐位置，應力最高值位于地板固定螺接處，為141.64MPa，廊橋整體應力水平小于材料屈服強度。

圖4a為施加人群、雪載荷后廊橋撓度，撓度最大值存在于廊橋踏板處7.22mm，廊橋縱梁中部撓度為1.344mm，在國家標準12.5mm要求范圍內。

從圖4b中可以看出，廊橋整體應力主要分布在地板及支撐位置，應力最高值位于地板固定螺接處，為141.78MPa，廊橋整體應力水平小于材料屈服強度。

圖5a為施加人群、風、雪載荷后廊橋撓度，撓度最大值存在于廊橋頂部中間位置14.74mm，廊橋縱梁中部撓度為1.76mm，地板最大撓度7.19mm，垂直撓度在國家標準12.5mm要求范圍內。

圖3 人群載荷撓度與應力分布

表3 橋梁載荷分類

從圖5b中可以看出，廊橋整體應力主要分布在廊橋橫縱梁連接螺接位置，應力最高值位于地板固定螺接處，最大值為211.92MPa，廊橋整體應力水平小于材料屈服。

在廊橋的正常使用中，考慮到廊橋結構的固有頻率即自振頻率的大小對結構在受激時是否會發生共振起著主導型的作用，對橋梁的固有頻率進行了模擬計算。圖6為一階模態下變形程度與固有頻率。

圖5 風載荷撓度與應力分布

通過模擬結果可知，廊橋整體的縱向方向自振頻率最低為4.26Hz，滿足國家標準要求。

圖7為廊橋屈曲模態分析，主要考量廊橋的穩定性。從模擬分析結果得出，廊橋的整體結構較穩定。三階特征值分別為13.93、14.08、14.87，從特征值來看，廊橋整體對缺陷較敏感。

圖6 一階模態撓度與應力分布（頻率：4.26Hz）

從圖7還可以看出，廊橋發生失穩的位置在廊橋兩側豎梁位置。結合特征值計算，失穩載荷為1.18×103kN，遠大于廊橋實際載荷。

4. 結語

（1）廊橋在承受人群載荷、風載、雪載荷均達到國家標準要求，地板與主梁垂直最大撓度分別為7.19mm、1.76mm。

圖7 屈曲示意

（2）廊橋自振頻率為4.26Hz，達到國家標準要求。廊橋失穩載荷為1.18×103kN，遠大于廊橋實際載荷。

（3）從模擬結果來看鋁擠壓型材拼裝的全鋁廊橋完全能夠達到使用要求，可替代鋼結構。