鋁合金拱形桁架橋力學性能模擬分析

（遼寧忠旺集團有限公司，遼寧 遼陽 111003）

鋼材作為常規土木工程建設中常用的材料，但是鋼結構建筑面臨著銹蝕導致的耐久問題[1，2]，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腐蝕性能可以大大減小環境給整個橋梁結構帶來的損傷，鋁材的易加工、低密度性能使之成為一種新型的橋梁建筑材料[3]。

李薇[4]等人利用CFD模擬軟件fluent對不同流線橋梁風動環境進行模擬，得出結果與實驗結果非常接近，阻力系數誤差小于4%，升力矩小于6%，升力系數小于3%。本文采用模擬仿真的手段對全鋁桁架橋進行了綜合載荷下的力學性能及模態分析，得到了橋梁受載情況下的撓度、應力分布、自振頻率，為鋁合金橋梁的設計提供了參考。

1 橋梁基本參數

如圖1所示為本模擬中鋁合金桁架橋整體結構示意圖，橋整體為鋁擠壓型材螺接，桁架結構。

圖1 桁架橋結構示意圖

表1為橋梁基本參數。

表1 桁架橋模擬參數

2 有限元模型建立

2.1 材料屬性及使用需求

桁架橋在使用過程中的許用工況為材料到達屈服點以前的線性階段，具體材料屬性如下表2。

表2 橋梁結構材料屬性

2.2 工況說明

桁架橋結構靜力學工況施加、荷載施加及約束見圖2，橋梁內部的地板為主要承載面。

圖2 載荷與約束

在橋梁的使用過程中，需要考量的重要載荷以及標準要求如表3所示。

表3 橋梁載荷分類

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》[5]。

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，本文簡化為行人載荷、自重載荷及風載荷依次疊加施加。

3.1 自重+行人載荷

圖3a為施加行人、自重荷后桁架橋撓度，撓度最大值位于橋梁中部，為54.5mm，經上一節分析，自重情況下的橋梁撓度為10.68mm，可以推算由行人載荷施加所造成的撓度為43.82mm，達到標準要求。

圖3 綜合載荷撓度與應力分布

從圖3b中可以看出，桁架橋整體應力主要分布在約束撐位置附近，應力最高值位于地板固定螺接處，為141.78Mpa，桁架橋整體應力水平小于材料屈服。

3.2 自重+行人載荷+風載

圖4a為施加行人、風、自重荷后桁架橋撓度，橋梁在之中情況下垂直方向最大撓度為54.59mm，經上一節分析，自重情況下的橋梁撓度為10.68mm，可以推算由行人載荷施加所造成的撓度為43.91mm，達到標準要求。

圖4 風載荷撓度與應力分布

從圖4b中可以看出，桁架橋整體應力依然集中在約束支撐位置附近，應力最高值位于固定螺接處，最大值為255.151Mpa，桁架橋整體應力水平小于材料屈服。

3.3 模態分析

在桁架橋的正常使用中，考慮到桁架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 垂直方向一階模態

通過模擬結果可知，桁架橋整體的縱向方向自振頻率最低為6.05Hz，滿足國家標準要求。

4 結語

（1）桁架橋在承受行人載荷、風載均達到國家標準要求，最大垂直撓度分別為43.91mm。

（2）桁架橋自振頻率為6.05Hz，達到國家標準要求。

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