基于ANSYS的连续梁桥的动态特性研究

０ 引言
连续梁桥是一种造型新颖而优美的组合式桥 梁，由拱下的梁体来承担拱所产生的拉力，结构受力 合理明确，具有变形小、结构刚度好、行车平顺舒适、 伸缩缝少、养护简易、抗震能力强等优点，也克服了 拱桥对桥位地基要求高和简支梁材料指数高的缺 点，具有明显的工程实用价值。在过去的道路桥梁 设计中，常用安全系数作为评价指标。但是，安全系 数往往不能考虑设计变量中任何客观存在的变异 性，而只是由确定的信息得到的确定值，因而对于不 同的工程问题来说，确定的安全系数不一定都会适 用。本文主要研究连续梁桥的强度及动态特性。
Ｄｙｎａｍｉｃ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ ＡＮＳＹＳ＿ｂａｓｅｄ Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｂｅａｍ Ｂｒｉｄｇｅ
ＭＡ Ｙｕ ＹＡＮＧ Ｃａｉｈｏｎｇ ＭＡ Ｙｏｎｇｊ ｉｅ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｉｔｉａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒａＩ ｓｃｈｅｍｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ｗａｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｄ ｂｙ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｔｏ ｓｉｍｉ－ ｌａｒ ｏｎｅｓ．ｓｔａｔｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｗａｓ ｍａｄｅ ｏｎ ｔｈｅ ｂｒｉｄｇｅ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ ｓｏｆｔｗａｒｅ ＡＮＳＹＳ． Ｋｉｎｅｔｉｃ ｓｔｕｄｉｅｓ ｗｅｒｅ ｔｈｅｎ ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ ｔｏ ｇａｉｎ ｎａｔｕｒａｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ａｎｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ．Ａｎｄ ｆｉｎａｌｌｙ ｔｈｅ
本文在分析现有的“宽支承”连续梁计算方法的基础上，提出了考虑支座宽度影响的宽支座梁双参数模型法，基于有限元法及虚功原理，推导了双 参数模型法的支座单元附加刚度矩阵及梁体内力求解方法，并编制了“宽支承”连续梁法、考虑节点域弹性的多支承连续梁法、双参数模型法的有限元 程序；结合模型试验的结果采用平面计算方法、ANSYS空间有限元模拟对宽支座连续梁内力进行比较分析，在探讨梁体内力分布规律及内力影响因素的基 础上，得出了宽支座梁在均布荷载作用下简化计算方法：当刚度比例系数α＞0.2时，支座负弯矩用弹性支承连续梁法计算的支座边缘的负弯矩削峰值代 替，当α≤0.2时，支座负弯矩用弹性支承连续梁法计算负弯矩按“北仑削峰”方法折减；支座正弯矩可按折减系数进行折减计算；支座位置最大剪力按 弹性支承连续梁法计算的支座宽度边缘位置的剪力值考虑。
本文在两等跨装配式无粘结预应力混凝土连续梁具体的试验数据的基础上借助大型有限元分析软件ANSYS建立合理的有限元模型，探讨了装配式无粘 结预应力混凝土连续梁在不同形式下的变形性能、内力重分配、极限承载力和极限应力增量的规律，并在此模型的基础上进行了各种布筋、配筋率、宽 高比、标号的不同形式和不同参数下的分析，得到了影响无粘结装配式连续梁的受力性能因素，并比较了无粘结装配式与无粘结整体式连续梁、有粘结 连续梁、无粘结简支梁受力性能的不同，以此找寻此类结构的最一般的规律，为其设计提供有力的依据。
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍＩ ＡＮＳＹＳ；ｍｏｄｅｌ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ （责任编辑：栗晓）
基于ANSYS的连续梁桥的动态特性研究
作者： 作者单位：
刊名： 英文刊名： 年，卷(期)： 引用次数：
马宇， 杨彩红， 马永杰， MA Yu， YANG Caihong， MA Yongjie 马宇,马永杰,MA Yu,MA Yongjie(郑州轻工业学院,机电工程学院,河南,郑州:450002)， 杨 彩红,YANG Caihong(河南农业职业学院,电子信息系,河南,郑州:451450)
3.孙昊.邓苗毅.郭成超 大跨度连续刚构桥梁静动载试验分析[期刊论文]-南水北调与水利科技 2005(05)
4.杨光辉 公路桥梁钢筋混凝上构件的强度计算 1996(04) 5.张立新.徐长航 ANSYS 7.0基础教程 2004
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1.学位论文 安兆静 装配式无粘结预应力混凝土连续梁的受力性能有限元分析 2006
武汉工程职业技术学院学报 JOURNAL OF WUHAN ENGINEERING INSTITUTE 2008，20(3) 0次
参考文献(5条)
1.张治成.叶贵如.陈衡治 大跨度桥梁施工控制结构分析计算方法[期刊论文]-浙江大学学报（工学版） 2004
2.刘坤 ANSYS 有限元方法精解 2005
Ｅｓ］孙吴。邓苗毅。郭成超，等．大跨度连续刚构桥梁静动载试验 分析［刀．南水北调与水利科技，２００５。３（５）：８－－１８．
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［５３张立新，徐长航．ＡＮＳＹＳ ７．０基础教程［ＭＪ．北京：机械工业出 版社，２００４．
划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计 算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析 和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析 声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析。
２ 有限元模型的建立
参考某跨线大桥的结构，然后再根据现今世界 上许多桥梁的设计，将此次连续梁的设
计方案拟定如下：选用拱形桥梁结构，材料选用 钢管，其中各梁的尺寸确定如表１所示：
表１各梁的尺寸
１ ＡＮＳＹＳ简介
ＡＮＳＹＳ软件是融结构、流体、电场、磁场、声场 分析于一体，以有限元分析为基础的大型通用ＣＡＥ 软件，已广泛应用于机械制造、石油化工、轻工、造 船、航空航天、汽车交通、电子、土木工程、水利、铁 道、日用家电等一般工业及科学研究。软件主要包 括３个部分：前处理模块、分析计算模块和后处理模 块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格
桥梁宽为１６ｍ．。因为梁的几何模型较简单所 以采用直接建模法，采用直接建模法既可以节省大 量的时间也可以减少划分网格的麻烦，因为在ＡＮ— ＳＹＳ软件中建立起来的模型直接具有单元结 构［１·２｜，连续梁的模型图如图１所示。
３连续梁的静力分析Ｅ３，４］
在静载荷状态下，桥梁受力状态如图２。
收稿日期：２００８－０５·２４ 作者简介：马宇（１９７９～），女，助教．Ｅ－ｍａｉｌ：ｍａｙｕ＠ｚｚｕｌｌ．ｅｄＩＬ ｃｎ
表２连续梁桥模态分析计算结果
阶次
１
２
频率／Ｈｚ ０．４５１２２ ２．３４８８
３
４
４．７９０５ ５．６８１５
５
６
７．１６６７ ９．８５７２
４．２谐响应分析 谐响应分析用于分析连续的周期性载荷在结构
系统中产生的周期响应，并确定线性结构承受按正 弦（简谐）规律变化的载荷作用时其稳态响应的一种
马宇杨彩红马永杰：基于ＡＮＳＹＳ的连续粱桥的动态特性研究
参考文献
．
５ 结论
本文对连续梁桥在受力最大的情况下进行了静 强度分析并进行了有限元数值模拟，得到了连续梁 桥的应力状态图，应力最大位置出现在横梁和拱梁
［１３张治成，叶贵如，陈衡治．等．大跨度桥梁施工控制结构分析计 算方法［Ｊ］．浙江大学学报（工学版），２００４，２：１８—２７．
Ｅｚ］刘坤．ＡＮＳＹＳ有限元方法精解［Ｍ］．北京；国防工业出版 社，２００５．
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技术。这里取静力分析时，受力最大点的位移作为 的位移响应如图６所示。在频率为１０Ｈｚ时位移出
响应输出。给定简谐激励，频率从０ Ｈｚ到２５Ｈｚ，幅 现了峰值。这与已知频率为９．８５Ｈｚ相对应，相应
尬企．众企尬锺洫锄泌怨瑶孰 值为２．０×１０～ｍ，采用完全法进行分析，连续梁桥
的最大幅值为６．０Ｘ １０～ｍ。
１８
武汉工程职业技术学院学报
２００８．３
力学特性和受到某种简谐载荷激励时的稳态响应， 所以就主要针对这两点在静力学分析的基础上对其 进行模态分析和谐响应分析。
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图２连续梁的受力图
只有左边的两个连接支点是受全约束，其余的 六个连接支点都是只受Ｙ方向上的约束。而横梁 上共四十个节点都是受向下的力。力的大小计算过 程如下：连续梁总长为３８０ｍ，梁宽为１６ｍ，两边的人 行道各宽２ｍ，所以桥面的总宽度为２０ｍ。桥面的材 料为混凝土，其密度为２０００ｋｇ／ｍ３，厚度为０．６ｍ。 因此计算得出的桥面的总重力为：
武汉工程职业技术学院学报 ＪｏｕｒｎｓｌｏｆＷｕｈａｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ＩｎＪｔｉｔｕｔｅ
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基于ＡＮＳＹＳ的连续梁桥的动态特性研究
马 宇１ 杨彩红２
（１．郑州轻工业学院机电工程学院 ２．河南农业职业学院 电子信息系
马永杰１
河南 郑州：４５０００２； 河南 郑州：４５１４５０）
摘要参照同类连续梁桥确定初步的结构方案，利用有限元分析软件ＡＮＳＹＳ对连续梁桥模型 进行静力分析。在静力分析基础上对模型进行动力学研究，得到了连续梁桥的固有频率和振型特 征，然后通过谐响应分析得到了连续梁桥在不同激励下的动力响应。结果表明，分析所得的结果与 实际吻合，为进一步研究连续梁桥的其它特性和结构优化提供参考。 关键词连续梁；ＡＮＳＹＳ；模态分析；谐响应分析 中图分类号：ＴＨｌ２３＋．４ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７１—３５２４（２００８）０３—００１７—０３
第一阶模态圈
湓△△△
第二二阶模杰囝
第三阶模卷圈
第四阶模各瞄
第五阶横态ｌ霉
鳃六阶攥寿彤
图５连续梁桥六阶模态振型图
的交汇处，与实际情况相吻合。在强度分析基础上 又进行了模态分析和谐响应分析，得到了连续梁桥 的前六阶模态及其相应的振型，对其进行了谐响应 分析，得到了最危险工况的最大位移响应，为研究连 续梁桥提供参考和依据。
４连续梁动态特性分析‘５］
结构的动态特性分析属于动力分析范畴，主要 包括模态分析、谐响应分析、瞬态动力学分析和谱分 析。对于连续梁桥来说，应该主要研究其固有的动
图３连续梁的应力图
图４莲续梁的位移变形图
４．１模态分析 模态分析主要用于确定结构的振动特性，即通
过研究无阻尼系统的自由振动，得到振动系统的自 然属性（固有频率和振型）。结构的振动可以表达为 各阶振型的线性叠加，其中低阶振型比高阶振型对 结构的振动影响大，低阶振型对结构的动态特性起 决定作用，故进行结构的振动特性分析时通常取前 ５—１０阶即可。ＡＮＳＹＳ提供了多种模态提取方法， 在本次研究中将采用Ｂｌｏｃｋ Ｌａｎｃｚｏｎｓ（分块兰索斯） 法，模态分析计算出前六阶频率，振型图如图５所 示，前六阶的固有频率如表２所示。
2.学位论文 吉明 宽支座连续梁模型试验及简化计算方法研究 2006
随着高桩码头结构型式的大型化发展，宽支座连续梁结构已应用于高桩码头的实际工程中。高桩码头设计与施工规范中关于纵梁弯矩的计算没有考 虑支座宽度对连续梁受力的影响，而且计算弯矩和剪力采用了不同计算跨度，给工程结构的设计带来一些困难。为满足工程设计的需要，有必要对宽支 座的受力特性及计算方法进行研究。
Ｇ－－２０００×３８０×２０×０．６×９．８＝８９３７６０００Ｎ 连续梁共４０个节点，故每个节点所受到的力大 小为： Ｆ＝８９３７６０００／４０＝２２３４４００Ｎ 连续梁的材料为１６Ｍｎ钢，弹性模量Ｅ＝ ２１０Ｇｐａ，泊松比｜￡￡＝Ｏ．２７５，屈服极限以＝３４５ＭＰａ， 根据一般情况取安全系数为３．５，则连续梁的许用
应力［ａ。］＝９９ＭＰａ。 施加约束和载荷后的强度分析结果如图３所
示，从图３连续梁桥的应力云图可以看出，连续梁最 危险的位置在横梁与拱的连接点处，最大应力值为 ６４．６ＭＰａ，小于许用应力是合理的、安全的。从图４ 连续梁的位移图上可以看出，在施加均匀载荷的情 况下，梁的位移变化是横梁与连接的拱梁交接的位 置位移量较小，位移量变化的趋势是随着拱的升高 位移量在逐渐增加，最大位移量为０．４３９ｍｍ。
ｂｒｉｄｇｅｓ ｄｙｎａｍｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅｓ ｕｎｄｅｒ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｅｘｉｔａｔｉｏｎｓ ｗｅｒｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｔｈｒｏｕｇｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｎａｌｙｓｉｓ．
Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｊｎｄｉｃａｔｅｄ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄａｔａ ｅｘａｍｉｎｅｄ ａｇｒｅｅｄ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｏｎｅｓ．ｗｈｉｃｈ ｗｏｕｌｄ ｓｕｒｅｌｙ ｂｅｎｅｆｉｔ ｆｕｒｔｈｅｒ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｏｔｈｅｒ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｏｆ ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ ｂｅａｍ ｂｒｉｄｇｅ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚａｔｉｏｎ．