基于ANSYS的大跨悬索桥动力特性分析
大跨度悬索桥的动力特性分析研究
278理论研究0 引言 1940年，塔科马桥的风毁事故震惊了桥梁工程界。
纵观桥梁发展历史发现，桥梁风毁案列也远不止这一个。
早在1879年，英国的Tay 大桥由于暴风雨的袭击而垮塌，造成了75人死亡的惨剧。
自1918年到1940年，短短二十几年的时间内，就约有11座桥梁因风而发生损坏[1]。
塔科马桥风毁事故后，世界的桥梁工程师们纷纷开始关注桥梁在风作用下的稳定性研究。
悬索桥由于其跨越能力大、柔度大等特点自身特点，使得它的抗风性能研究尤为重要，因此，悬索桥的动力特性分析也成为桥梁抗风设计的关键问题。
桥梁结构的动力特性包括自振频率和振型等，它反映了桥梁结构的刚度和刚度分布的合理性，是桥梁结构振动响应分析、抗风稳定性研究和抗震设计的基础。
1 动力特性分析有限元原理 运用软件进行悬索桥结构动力特性分析的实质是有限元法。
其基本原理是将连续的空间对象离散为若干个规则的单元，这些单元之间通过共同节点相连接，由于单元形状规则，便于建立平衡关系。
单元内部的待求量可以由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。
最后将各单元方程组成方程组，再加上给定的边界条件，便可以求解。
2 动力特性的有限元计算 动力特性的有限元计算以坝陵河大桥为例，该桥为主跨1088米的单跨钢桁加劲梁悬索桥。
跨径布置为：48m+1088m+228m，桥梁全长2237米。
2.1 模型简化 悬索桥加劲梁常用的简化模式有脊梁模式（鱼骨刺模式），∏形模式，双主梁模式，三主梁模式。
这些模式都有各自的优缺点，而脊梁模式的简化方法多被悬索桥梁所采用。
本次分析也采用脊梁模式，它把桥面系的竖向刚度、横向刚度、扭转刚度及平动质量、转动惯量都集中在中间节点上。
2.2 单元的选择 根据各个构件的受力形式不同而采用不同的单元类型。
加劲梁与桥塔采用Beam4单元，Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元，每个节点有六个自由度。
主缆与吊杆因不承受弯矩而采用Link8单元，Link8为三维空间承受单轴拉力-压力，每个节点有X，Y，Z 位移方向的三个自由度。
大跨度悬索桥的动力特性分析研究
大跨度悬索桥的动力特性分析研究摘要：悬索桥又称吊桥，是一种古老的桥型，是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的悬索作为上部结构主要承重构件的桥梁类型。
由于其结构比较轻柔对动荷载比较敏感，进行桥梁结构的动力特性分析对桥梁的抗震设计、健康检测和维护具有十分重要的意义。
随着桥梁跨度的增大，加之悬索桥是一种刚度小、变形大的柔性结构，体系的几何非线性突出，基于有限元法对悬索桥的动力特性以及结构刚度对其影响进行研究具有重要的理论意义和工程实际价值。
结构刚度是影响悬索桥动力特性的重要因素，本文就加劲梁刚度、索塔刚度、主缆刚度、吊索刚度等对双塔单跨悬索桥固有频率的影响进行研究。
关键词：大跨度；悬索桥；动力分析1.大跨度悬索桥的动力分析的意义悬索桥的振动特性是悬索桥动荷载行为研究的基础。
桥梁结构的振动包括自振频率和振型等,它反映了桥梁结构的刚度和质量分布的合理性,是桥梁结构振动响应分析、抗震设计和抗风稳定性研究的基础。
桥梁结构的动力特性包括自振频率、振型和阻尼。
悬索桥结构在动力激励作用下,在空间上各向振动的振型和频率都是需要的。
但一般被分为四种类型:竖向、纵向、横向和扭转振型。
然而,实际情况却是一种位移通常会与另外一种位移耦合,特别是竖向位移与纵向位移耦合在一起,横向位移与扭转位移耦合在一起。
甚至有时候,四种位移同时耦合在一起。
耦合情况决定于结构几何和支撑条件等因素。
一阶扭转振动频率与一阶竖向振动频率比值越大,桥梁具有更好的抗风稳定性;桥梁抖振则需要考虑多振型的参与。
因此,动力特性分析是桥梁结构动力性能研究的重要内容之一。
在悬索桥进入大跨径结构的阶段,其加劲梁的刚度不断地相对减少,当加劲梁的高跨比小于1/300时,采用线性挠度理论分析悬索桥所产生的误差将不容忽视,为此有限位移理论开始应用于现代悬索桥的结构分析中,使悬索桥的分析计算更加精确。
基于矩阵位移法的有限元技术能适应解决复杂结构的受力分析,一些有代表性的研究成果逐渐完善和发展了有限位移理论。
基于ANSYS的悬索桥分析
(a) 桁架式
(b) 刚构式
(c) 混合式
图 1-2 桥塔横桥梁示意图
1.2 主缆
主缆是通过塔顶的鞍座悬挂于主塔上并锚固于两端锚固体中的柔性承重构 件，主缆本身又通过索夹和吊索承受活载和加劲梁（包括桥面）的恒载，除此之 外，它还分担一部分横向风荷载并将它直接传递到塔顶。主缆的布置形式一般是 采用每桥两根，平行布置于加劲梁两侧吊点之上。现代大跨度悬索桥多采用平行 钢丝主缆，它是由平行的高强、冷拔、镀锌钢丝组成。钢丝直径大都在 5mm 左 右。根据主缆承受拉力的大小，每根主缆可以包含几千根乃至几万根钢丝。为便 于施工安装和锚固，主缆通常被分成束股编制架设（一般每根主缆可分成几十乃 至几百股，每股内的丝数大致相等），并在两端锚碇处分别锚固。为了保护钢丝，
1.1 桥塔
桥塔也称主塔，它是支承主缆的主要构件，分担主缆所受的竖向荷载（包括 桥面、加劲梁、吊索、主缆及其附属结构如塔顶鞍座和索夹等重量），并传递到 下部的塔墩和基础。另外，在风荷载和地震荷载的作用下，还可对全桥的总体稳 定提供安全保证。按采用材料分，桥塔有混凝土塔和钢塔，因混凝土塔价格较低， 一般都采用混凝土桥塔。按桥塔外形分，在横桥向一般有刚构式，桁架式和混合 式三种结构形式，如图 1-2 所示。刚构式简洁明快，可用于钢桥塔或混凝土桥塔， 桁架式和混合式由于交叉斜杆的施工对混凝土桥塔有较大困难，只能用于钢桥 塔。在顺桥向，按力学性质可分刚性塔、柔性塔和摇柱塔三种结构形式。刚性塔 可做成单柱形或 A 字形，一般多用于多塔悬索桥中，可提高结构纵向刚度，减 小纵向变位，从而减小梁内应力；柔性塔允许塔顶有较大的变位，是现代悬索桥 中最常用的桥塔结构，一般为塔柱下端做成固结的单柱形式；摇柱塔为下端做成 铰接的单柱形式，一般只用于跨度较小的悬索桥。
基于ANSYS的悬索桥梁的静载和动载的分析
基于ANSYS的悬索桥梁的静载和动载的分析基于ANSYS的悬索桥梁的静载和动载的分析摘要运⽤ANSYS软件进⾏悬索桥桥梁的静载和动⼒分析，本⽂中的有悬索桥限元模型结构形式⽐较复杂，桥的每⼀个部分都有不同的属性和作⽤，因此在有模型中，使⽤了三种单元类型对悬索桥的桥塔、纵梁、加劲桁架、缆索、桥⾯板进⾏建模。
它们分别是三维弹性梁单元（BEAM4）、三维杆单元（LINK10）、板壳单元（SHELL63）。
然后再模型的基础上在进⾏了只有重⼒的静载分析和简单的模态分析。
键词：ＡＮＳＹＳ悬索桥静载分析模态分析AbstractBy using ANSYS software of suspension bridge static load and dynamic analysis, this paper, the suspension bridge limit yuan model structure form is more complicated, the bridge every part has a different attribute and function, so the model, the use of three kinds of unit type on the suspension bridge tower, girder, stiffening truss, cable, bridge deck model. They were three dimensional elastic beam element (BEAM4), the three dimensional bar unit (LINK10), plate and shell elements (SHELL63). Then on the basis of the model in the only gravity static load analysis and simple modal analysis.引⾔悬索桥也叫吊桥，是跨越能⼒最⼤的⼀种桥型。
悬索桥结构的动力特性分析与优化设计
悬索桥结构的动力特性分析与优化设计悬索桥结构的动力特性分析与优化设计摘要：悬索桥作为一种独特的桥梁结构，具有较好的经济性和美观性。
本文主要对悬索桥结构的动力特性进行分析与优化设计，通过使用有限元分析方法，对悬索桥结构的固有频率、振型形状以及振动行为进行模拟和预测。
在此基础上，通过参数化设计，对悬索桥结构进行优化，提高其动态性能，从而为悬索桥的设计与建设提供参考。
关键词：悬索桥；动力特性；有限元分析；优化设计1. 引言悬索桥是一种以悬垂在主塔两侧的主缆为主要受力构件，通过搭设横向桥臂和垂直支撑塔而将主缆与桥面连接起来的桥梁结构。
悬索桥具有结构简单、清晰，且对环境影响小的特点。
然而，由于悬索桥结构具有较大的跨度和柔性特性，其动力特性对桥梁的安全性和舒适性具有重要影响。
2. 悬索桥的动力特性分析2.1 悬索桥结构的固有频率悬索桥结构的固有频率是指结构在自由振动状态下的振动频率。
固有频率的大小决定了悬索桥结构的振动特性。
通常情况下，悬索桥的固有频率较低，需要尽量避免与车辆行驶频率相同，以免发生共振现象。
2.2 悬索桥结构的振型形状悬索桥结构在自由振动时，会产生特定的振型形状。
振型形状描述了结构不同部位在振动过程中的运动方式和振动幅度。
通过对悬索桥结构的振型形状进行分析，可以了解结构的振动模态和振动特性，为结构的设计与优化提供依据。
2.3 悬索桥结构的振动行为悬索桥结构在使用过程中，会受到各种外部荷载的作用，如车辆荷载、风荷载等。
这些外部荷载的作用会引起悬索桥结构的振动。
振动行为的分析可以预测悬索桥结构在不同工况下的振动响应，为结构的安全性和舒适性评估提供依据。
3. 悬索桥结构的优化设计悬索桥结构的优化设计主要包括结构参数的确定和材料的选择。
通过参数化设计的方法，可以对悬索桥结构进行优化，提高其动态性能。
例如，可以通过调整主缆的刚度、加大横向桥臂的刚度和强度等方式，改善悬索桥的动力特性。
在优化设计过程中，需要考虑结构的经济性和安全性。
基于ANSYS的超大跨度斜拉桥的索力模拟
基于ANSYS的超大跨度斜拉桥的索力模拟
张杨永;周云岗;姜海西
【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(025)005
【摘要】目的基于ANSYS平台建立斜拉桥的力学分析模型,实现已知索力的精确模拟,为进一步的分析计算提供依据,也为类似问题的ANSYS二次开发提供思路.方法考虑斜拉索索力之间的相互影响,根据矩阵分析的方法推导循环迭代公式,利用单元初应变或温度荷载模拟索力,并以某主跨1 400 m斜拉桥设计方案为算例,验证方法的可行性.结果采用常规循环迭代法,迭代30次后,索力误差仍有5%左右,而采用矩阵分析法,迭代30次后,索力模拟误差控制在1%以内,有效解决了索力模拟的收敛性问题.结论矩阵分析法是常规循环迭代法的推广,基于该方法的索力模拟方法精度较高,适用于超大跨度斜拉桥的力学建模.
【总页数】5页(P909-913)
【作者】张杨永;周云岗;姜海西
【作者单位】同济大学桥梁工程系,上海200092;同济大学桥梁工程系,上海200092;同济大学桥梁工程系,上海200092
【正文语种】中文
【中图分类】U448.27
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1.基于ANSYS的斜拉桥索力仿真分析 [J], 吕纯洁
2.ANSYS优化设计在确定斜拉桥恒载索力中的应用 [J], 徐金勇
3.ANSYS二次开发及在斜拉桥成桥恒载索力中检算 [J], 王章彪
4.基于ANSYS平台的大跨度斜拉桥非线性成桥初始索力确定 [J], 汪峰;刘沐宇;
5.基于ANSYS平台的大跨度斜拉桥非线性成桥初始索力确定 [J], 汪峰;刘沐宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
上承式悬索桥动力特性分析
建材发展导向2014年第22期58上承式悬索桥是一种在上世纪70年代末发展起来的新式桥型，又称上承式悬带桥或反向吊桥。
第一座上承式悬索桥是华裔著名结构大师林同炎先生所设计的克罗拉多大桥。
针对上承式悬索桥的设计已经有一定的研究成果，但是针对此类桥梁的动力响应在国内尚未有系统的研究。
1 模态分析理论对振动模态进行分析就是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。
模态就是将多自由度结构体系转变为单自由度结构体系的叠合，多自由度结构体系的自振动力微分方程如式1。
[M ]y¨+[C ]y .+[K ]y=0 （1）式中：[M ]—结构质量矩阵；[C ]—结构阻尼矩阵；[K ]—结构刚度矩阵；y ¨—加速度列向量；y .—速度列向量；y—位移列向量。
将上述矩阵方程进一步转化，可以得到计算结构自振频率的矩阵方程式（式2）[K ]φ=ω2[M ]φ （2）式中：φ表示结构的结构振型向量，φ表示结构的自振频率。
2 计算模型上承式悬索桥的主要是由桥面系，立柱排架，主索与悬带（底板）组成。
本例采用一个以上承式悬带结构为主体，并与斜腿刚构进行结合的10m+80m+10m 的复式桥型，悬带最低点距桥面梁底15m。
上承式悬索桥的桥面梁板类似于悬索桥的加劲梁，直接承担车辆荷载，结构横截面形式设计为T 梁（图1a）；立柱排架类似于悬索桥中的吊杆，可将桥面系承受的荷载传递到悬带上，是受压构件，常设计成门式结构，由立柱和上盖梁及底板组成（图1b）；主索悬带是主要承受竖向荷载，其中主索类似于悬索桥的主缆索，一般是由高强钢丝编织而成的多组平行束布置在立柱底板以下，主索用混凝土包裹以防止锈蚀。
（a）T 梁横截面图 （b）立柱排架横截面图图1 T 梁及立柱排架横截面图运用ansys12.1对上承式悬索桥建立模型，模型采用材料库中的beam3梁体单元对主梁和立柱排架均运用等效容重和等效刚度的原则采用相应矩形截面进行简化。
基于ANSYS特大跨度悬索桥施工及运营阶段的受力分析
基于ANSYS特大跨度悬索桥施工及运营阶段的受力分析徐安;何中刚;丁彧
【期刊名称】《森林工程》
【年(卷),期】2006(22)6
【摘要】借助大型有限元分析软件研究特大跨度悬索桥索的找形,根据施工前、施工阶段及运营阶段的受力特性,得到在每一阶段跨中节点的位移,为实际的悬索桥的施工提供了依据,也为大跨度悬索桥的后续受力分析,如移动荷载作用、风荷载作用以及地震力的作用提供了前提和保证.
【总页数】4页(P23-25,68)
【作者】徐安;何中刚;丁彧
【作者单位】天地科技股份有限公司唐山分公司,河北,唐山,063012;湖北人防建筑设计院,武汉,430000;天地科技股份有限公司唐山分公司,河北,唐山,063012
【正文语种】中文
【中图分类】U4
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1.特大跨度桥梁施工及运营阶段智能健康监测与控制技术研究 [J], 强士中
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易振动 的结构 ， 由于 缆索 的柔度 大而 且非线性 因素 的影 响显 著 ， 扁平钢箱梁 ， 宽３ ７ ． ９ ｍ， 中心线处梁 高 ３ ． ５ ｍ， 连 接主缆 和主梁 的 在桥梁遭受地震 荷载 、 风荷 载或 者车辆 移动 荷载 等动力 刺激 下 ， 吊杆纵 向间距 为 １ ６ ｍ。主塔为门式框架混凝土结构 ， 下 横梁 以下 桥梁会有 明显的动力 响应 。因此 ， 当我们 对悬索桥 的动力特 性进 为变截 面 ， 下横梁 以上为等截面 。 行分析 的时候 ， 如何 把握桥 体 的受力 特性 ， 对于 优化设 计 以及工 ２ ． １ 有 限元模 型建 立步骤 程实践都起着 非常重 要的参考 价值 。 悬 索桥的桥面系根 据 吊杆 的间距 进行 离散 。主梁采用 鱼 骨 在桥梁 中的动力 学分 析一 般是用 来确 定 由惯 性和 阻尼 起着 式 ， 用７ ０个三维梁单元和 １ ４ ０个 刚臂单元模拟 。主缆和吊杆 都采 重要作 用的结构或构 件动 力学特 性 的技术 。本 文建立 一 主跨为 用三维杆单元 ， 并 考虑 重力刚度 。主塔 由塔柱 、 横梁 和剪 刀撑 构 １ １ ３ ８ ｍ的大跨悬索桥 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ模型 ， 对其 进 行模 态 分析 ， 并 与 已 成 ， 采用梁单元模拟 。桥塔变截面部分 划分为 ２ ０个单元 ， 等截 面
形式 。 动力方程与 时间 ｔ 相 关联 的二 阶微 分方程 ， 对动力 方程 的解
ｒ
高厂 ＝１ １ ３ ． ８ ｉ ｎ ， 跨径 ｌ ＝１ １ ３ ８ ｍ。
１ ） 建立 的模型如图 １ 所示 。
法包括有振 型叠 加法 和直接 求解 法。其 中的振 型叠加 法是 采用 结构 的振型来形 成 Ｒ ｉ ｔ ｚ 基， 然后 分析 动力 方程 的变 化 ， 为 了降低 方程 阶数 ， 一般会采用广义坐标代替 原有 的有 限元节点 坐标 。对 于桥梁结构 而言 ， 因为桥梁 结构 的振 型具有 正交性 ， 采 用振 型叠
３ ） 边界 约束 。本 文分析 中暂 不考虑 主塔与地 面 的桩土相 互
图 １ 悬索桥有限元模型
２ ） 设置 主从 节点 。实际 工程 中， 主梁 是搁放 在下横 梁上 的， 加法不仅 可以有 效的降低 方程阶数 ， 还可 以有效 避免原有 方程 中 与下横梁之间在竖 向、 横 向和扭 转方 向上位移 是一致 的 ， 所 以在 的耦合性 ， 这 种方 式 可 以很大 的简化 方程 运算 过 程。通 常情 况 这三个 方向上应该设 置主从节 点。
基于 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ的 大 跨 悬 索 桥 动 力 特 性 分 析
杨 文 杰
（ 江南大学土木工程系 ， 江苏 无锡 ２ １ ４ １ ２ ２ ）
摘
要： 建立 了一主跨为 １ １ ３ ８ ｍ 的大跨悬 索桥 的 Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ模型 ， 对其进行了动力特性分析 ， 并与 已有相同桥型 的已建桥 梁进行 了
建 实际工程相 比较得到了相应结论 。
部分划分为 ３ ４个单元 ， 加上横梁 ， 单塔共有 １ ２ ０个单元 ， 南塔和北 塔共 ２ ４ ０个单元 。模型建立 ， 由于悬索桥模型具有较好的规律性 ， 又考虑到在计算分析过程中的调试 、 修改等问题 ， 采用直接生成法 ，
即先定 义 节 点 ， 然 后 由节 点 生 成 单 元 。悬 索 采 用 公力学模 型经有限元离散后 ， 一般 可用 以下形 式 的运 动学方程
描 述 ： ＋ ＋Ｋ ｘ＝Ｆ （ ｔ ） 。其 中 ， 为 』 ｖ阶 的节 点位移矢 量 ； 为节点速度矢量 ； 茹为节点 加速度 矢量 ； Ｍ 为 结构质 量矩 阵 ； Ｃ为
该公 式用来计算悬索横坐标与纵 坐标 的关系 ， 其 中矢
・
第３ ９卷 第 ３ ０期 １ ７ ８・ ２ ０ １ ３年 １ ０月
山 西 建 筑
Ｓ ＨＡＮ ＸＩ ＡＲＣＨＩ Ｔ ＥＣ Ｔ ＵＲ Ｅ
Ｖｏ １ ． ３ ９ Ｎｏ ． ３ Ｏ ０ｃ ｔ ． ２ ０ｌ ３
文章编号 ： １ ０ ０ ９ － ６ ８ ２ ５ Ｉ ２ ０ １ ３ ） ３ ０ － ０ １ ７ ８ — ０ ２
比较 ， 得 出了相应的结论 ， 同时指 出把握好桥体 的受力特 性 ， 对于优化设计及工程实践具有重要的参考价值 。
关键词 ： 悬索桥 ， 动力特性 ， Ａ Ｎ Ｓ Ｙ Ｓ 中图分类号 ： Ｕ ４ ４ ８ ． ２ ５ 文献标识码 ： Ａ
悬索桥 是跨 越能 力最强 的桥 型之一 ， 桥 梁跨 度不 断增大 ， 随 悬 索桥 ， 采 用 简支 单跨 体 系 ， 主跨 １ １ ３ ８ ｍ， 两 根 主缆 横 向 间距
下， 一般外力作用下 结构通 常 只激起一 部分 较低 的振型 ， 然 而我 们一般都认 为大 多数 高阶振型分量很小 ， 所 以可 以忽略不计 。 在 桥梁结 构工程 中， 在外 荷载 冲击下 ， 分 析振 型 时我们 一般
采用 的方法包括 ： 振型叠加法 、 中心差分法 、 Ｎ ｅ ｗ ｍ ａ ｒ ｋ方法等 。
结 构阻尼矩阵 ； Ｋ为结构 刚度矩 阵。对静力学 问题 ， 方程组可化简 为Ｋ ｘ＝ ｆ ｏ而对动力 问题 ， 不同分 析类 型是 对这 个方程 的不 同形 式进行 求解 。对 模态 分 析 ， 通常 忽 略阻 尼 而设 定 Ｆ（ ｔ ） 为零 ； 谐 响应分 析 ， 假 设 Ｆ（ ｔ ） 和 都 为 简谐 函数 ； 谱 分析 ， 方 程保 持上述