基于桥梁结构动力特性评估的有限元仿真研究

基于桥梁结构动力特性评估的有限元仿真研究摘要：以坐落在俄罗斯符拉迪沃斯托克市人行天桥为例，利用笔算和有限元建模的方法对人行天桥进行动力特性计算，对比结果发现以笔算的形式已经无法满足对结构较复杂的中型桥梁的设计

要求，所以在设计较为复杂的中型桥梁时采用有限元仿真的方法是重要的和非常有效手段之一，其建模与分析方法对设计人员具有一定的参考价值。

关键词：有限元模型；动力参数；自振周期；共振

abstract: based on footbridge constructed in vladivostok of russia, the dynamic characteristics of footbridge are studied in this paper. the dynamic characteristics are studied by method of written calculation and finite –element model. compared the results written calculation in from has been unable to meet the design of requirement for the structures of more complex. so construction finite –element model is effective and important method. the result of this paper has certain theoretical meaning and application value in engineering practice.

key words：finite-element model;dynamic characteristics;period of vibrate;period of

vibrate;resonance

中图分类号： tl501+.3 文献标识码：a 文章编号：2095-2104（2013）

0引言

在现代的桥梁设计领域中，有限元仿真的方法已经被广泛运用。设计人员在设计大型复杂的桥梁结构时都会采用方便的有限元软

件进行对桥梁结构的模拟仿真工作，得到准确合理的计算结果。然而大多数设计人员经常会忽略中小跨度的桥梁结构的复杂性，这也导致了在桥梁设计中产生了大的计算“误差”或“错误”，致使结构形式不合理，强度不够和耐久度不足的情况屡见不鲜。严重的设计缺陷很有可能不符合设计规范，甚至危及到人员安全，桥梁结构的安全性和可靠性难以得到保证，同时人民生命财产也随之受到损害。如俄罗斯符拉迪沃斯托克市的42.6m人行天桥的设计因为没有考虑到人行天桥的承重结构的细节对整个桥梁的动力特性的影响，而导致在行人通过的过程中有强烈振感，最后关闭天桥。通过此工程实例复查的计算方法和结果，找出设计缺陷，并证明了有限元仿真对桥梁工程的必要性。

1 结构简介

机场高速公路天桥采用全长42.6m的轻质正交异性板钢梁，计算长度为42.0m。采用俄罗斯国家标准gost6713-91的10hsnd钢材型号。结构设有两主梁，梁高1232mm，腹板厚14mm，下翼缘板截

面为420x20mm。正交异性板宽3536mm，板厚12mm，板下设置9个纵向钢肋，钢肋高180mm，厚12mm。两主梁间设置12mm厚的横隔板，延主梁纵向布局形式为1750+11x3500+1750mm。桥梁采用橡胶支座，型号为30x40x7.8–1.0，桥面净宽3000mm，桥面铺设50mm 沥青混凝土和2.5mm“poly p200”防水层，桥梁顶部设置钢骨架及“danpalon”硬塑风挡[1]。如图1所示：

图1 薄壁轻质桥梁结构

2计算实例

对桥梁动力特性的评估主要利用动力参数视为对动力特性的评价指标，根据规范中的特定范围，与计算值和规范理论值相对比，得出相应的结论。自振频率与振动周期就是用来评价人行天桥的重要参数，为了避免“共振现象”出现，保证桥梁结构的可靠性，安全性，同时令行人感到舒适的重要手段就是保证动力参数符合设计规范。然而桥梁结构动力特性评估的传统方法一般是把桥梁模型视为“杆”系统模型，这种模型是设计人员最常用非常简便的力学模型。虽然模型结构简单，计算方便，但计算结果时常与实际情况不符，其扮演的“角色”也只能是辅助估算近似的结果。主要原因是杆系模型无法真实模拟出结构所有的细节及真实条件，最终导致结果误差较大。以下为计算实例，钢桥横截面尺寸如图2：图2 钢桥横截面尺寸

根据结构截面尺寸可以得知惯性矩,计算跨度l=42m, 弹性模量,

质量m=1599kg/m, 常用的杆系统模型如图3所示：

图3 “集中质量法”杆系统模型

由公式（3）可以得到竖向振动圆频率：

(3)

以此推到出竖向振动周期和自振频率为：

，f = 1/t = 1.685 1/s

根据俄罗斯桥梁设计规范snip 2.05.03-84*[2]的人行天桥竖向自振周期的范围不应进入0.45s – 0.60s以内；水平方向的振动周期不应进入0.90s – 1.20s以内，而对频率没有做特定要求，所以实测竖向振动的结果符合设计规范。

3基于lira 9.2的有限元仿真实现

3.1钢桥基本结构的有限元模型的初步方案

采用俄罗斯与乌克兰共同研发的有限元软件“lira – 9.2”建立有限元模型，并计算全桥体系的动力特性[3]。钢梁部分主要采用空间板壳单元模拟，板壳基本以矩形为主，为了更准确得到计算结果，长宽约等于0.3m，近似于正方形。钢桥结构弹性模量取

es=2.1x107 ton/m2, 泊松比为v=0.3。根据数据初步建立有限元模型方案1，如图所示：

图4有限元模型方案1（考虑钢桥基本结构）

有限元模型方案1考虑钢桥的基本结构建立而成，其原始数据