基于ansys的静力与动力学分析,基于ansys桥梁动力分析实例

盛亚鸣 王少华 张 露西南交通大学机械工程学院 成都 610031

摘 要：桥梁伸缩装置作为桥梁结构的重要组成构件之一，连接两联桥面，汽车直接作用于其顶面，容易产生变形和开裂等结构破坏。利用Ansys 软件建立伸缩装置的参数化模型，进行瞬态动力学分析，找到了新型结构中应力相对较大的部位，分析这些节点在不同载荷和不同车速的响应情况，为进一步改进优化设计提供参考。

关键词：伸缩装置；瞬态动力学；超载；速度变化

中图分类号：U443.31 文献标识码：A 文章编号：1001-0785（2018）09-0097-05

0 引言“十二五”期间，我国公路里程新增12.7 万km，总里程达到457.7 万km，公路行业带动了桥梁建设的快速发展，新增桥梁12.1 万座，达到77.92 万座，新增特大桥梁1 843 座，达到3 894 座[1]。未来我国对公路投资放缓，但等级公路和公路改扩建市场广阔，其中特大桥梁等高技术项目将占据更大份额。桥梁伸缩装置作为桥梁结构的重要组成构件之一，连接两联桥面，对保证桥梁结构的稳固、确保车辆良好的行车舒适性和安全性有着重要作用[2]。桥梁伸缩装置一旦遭到破坏，将严重影响行车速度和舒适性，甚至造成行车事故危及生命安全。

随着重载化运输的不断发展，桥梁伸缩装置的工作环境更为严峻，深入分析伸缩装置在重载作用下的破坏特征及其破坏机理，为伸缩装置设计提供参考，防止伸缩装置在重载交通作用下的破坏具有重要意义[3]。通过分析伸缩装置在应用中的受力情况，解释其损伤机理，将为伸缩结构的设计、施工、养护以及改建工作提供指导和依据。本文以单缝结构伸缩装置为分析对象，应用Ansys 软件建立参数化有限元模型，对车辆载荷通过伸缩装置过程进行分析，研究结构的工作响应情况，得到其工作中薄弱结构，为进一步优化提供参考。

1 伸缩装置结构单缝伸缩装置结构见图1，各结构间焊接连接，用混凝土浇筑在两桥面间。伸缩装置边梁型钢截面如图2。

1. 边梁 2. 防水橡胶条 3. 锚板锚筋组件 4. 定位钢筋

图1 单缝伸缩装置截面

图2 伸缩装置边梁型钢截面

2 荷载分析由JTG D60—2015《公路桥涵设计通用规范》[4] 可知，作用在伸缩装置的静力载荷分为：1）竖向静载荷 选取作用在伸缩缝竖向最大的力进行分析，本文选取车辆后轴重力标准值为竖向计算载荷，为140 kN；在不考虑制动力时，计入冲击系数μ ＝ 1.45，因此边梁所受的最大载荷为203 kN。则单侧轮胎的最大轮压载荷为101.5 kN。2）水平载荷 车辆在伸缩缝处制动时产生的制动力，根据公路规范为后轴重力的30%，即42 kN，则单侧轮胎的制动力为21 kN。车辆正常行驶时[5]

式中：c w 为车辆的空气阻尼系数，为0.6 ～ 1，卡车一般取0.75；A front 为车辆前挡风玻璃的面积，卡车一般取9 m2；ρ air 为空气密度，约为1.23 kg/m3；v 为车辆通过伸缩缝的车速，m/s；G B axle 为后轴重力标准值，N；c rol 为轮胎滚动阻尼系数，卡车取值范围为0.5% ～ 0.9%；α 为路面坡度角；n 为车轴数量，n ＝ 5。

根据公路规范桥上纵坡不宜大于4%，桥头引道纵坡不宜大于5%，位于市镇混合交通繁忙处，桥上纵坡和桥头引道纵坡不得大于3%，故本文取纵坡为3%。车速为80 km/h 时， 单侧轮胎水平力F hor ＝ 4.5kN。

3）坡道载荷 单侧轮胎坡道载荷车轮过缝时，会对边梁产生弯矩作用，因此本文假设边梁前斜面受车轮作用。重载货车后轮着地宽度及长度为200 mm×600 mm，车轮通过伸缩缝系统（包括一部分路面）时，车轮与伸缩缝系统接触面积越小，伸缩缝受力越大。车轮通过伸缩缝示意图见图3。假设轮胎接地压力是均匀的，通过静力学分析，选取制动力进行分析。在动力学中选单侧压力进行分析，其中制动力和坡道力共24.67 kN，竖向力70 kN。

图3 车轮通过伸缩缝示意图

3 模型建立通过Ansys 建立伸缩装置参数化有限元模型，边梁型钢采用Solid 45 单元，材料为Q345B，混凝土选取C40，也采用Solid 45 单元。材料参数见表1。有限元模型图见图4。

图4 有限元模型网格

约束：考虑伸缩缝与混凝土之间的粘接作用，在混凝土块底面施加UY 约束，锚固面施加UX 、UZ 约束。模型建立：忽略锚固组件，忽略防水胶条，建立锚固区进行约束。

4 加载和求解4.1 边梁冲击的瞬态分析在瞬态分析完全法中，只有瑞利（Rayleigh）阻尼、材料相关阻尼、单元阻尼可以定义[6]。瑞利阻尼为全局性的阻尼，通过其质量阻尼α 和刚度阻尼β 完成阻尼矩阵的装配和组成，阻尼矩阵由两个阻尼常数乘以质量矩阵M 和刚度矩阵K 后计算出来。

一般先通过模态分析确定第i 阶模态自振频率i ω，然后确定第i 阶振型模态阻尼比i ξ，利用式（3）可计算得到α 和β [7]。

在加载时，载荷采用阶跃的方式瞬间加载在边梁型钢顶面。在分析过程中，载荷作用顺序为左混凝土，左边梁，右边梁，右混凝土。分别记为：H1，BL1，BL2，H2。

缝宽越大，结构响应越大，当缝宽为80 mm 时，轮压载荷分为8 个阶段：1）刚压到左混凝土顶面到完整压过；2）压过左边梁顶面；3）过缝；4）压到右边梁，离开左混凝土顶面；5）压到右混凝土，离开左边梁顶面；6）再次过缝；7）离开右边梁；8）离开混凝土到结束。假设车辆以80 km/h 的速度通过伸缩装置，则8 个阶段所对应的时间为：1）（0 ～ 2.7）×10-3 s；2）（2.7 ～ 5.4）×10-3 s；3）（5.4 ～ 9）×10-3 s；4）（9 ～ 11.7）×10-3 s；5）（1.17 ～ 1.44）×10-2 s；6）（1.44 ～ 1.8）×10-2 s；7）（1.8 ～ 2.07）×10-2 s；8）（2.07 ～ 2.34）×10-2 s。（2.34 ～ 3）×10-2 s 无载荷震荡。

通过分析对比，选取边梁顶面、边梁前斜面、边梁型腔面最大响应值的节点及混凝土易失效处的节点，作为瞬态动力学的分析点，这些节点位置如图5。图5 中，DM 为边梁顶面点，QXM 为边梁前斜面点，XQ 为边梁型腔点。对混凝土H1 来说，混凝土与边梁的边界点在实际中易发生破坏，因此选取此处节点H1-1、H1-2、H1-3。

图5 边梁模型各面响应最大值点

4.2 不同载荷情况下混凝土和边梁瞬态响应提取上述节点在不同载荷条件下的应力曲线如图6、图7、图8，其中p 表示超载系数，p =1.5 即为1.5 倍标准轴重载荷。

图6 BL1 和H1 节点不同载荷下的等效应力曲线

图6 中， BL1DM 节点2.7×10-3 s 开始载荷压边梁，5.4×10-3 s 时压过整个边梁，此时应力达到第一个峰值；随后开始过缝，至9×10-3 s 结束，结束时达到第二个峰值；11.7×10-3 s 载荷开始离开边梁顶面，响应逐渐衰减；14.4×10-3 s 离开边梁顶面，应力出现小幅反跳后逐渐衰减。

型腔内的节点等效应力响应为整个边梁结构中最大值，其第一个峰值出现在压过整个边梁面，第二个峰值出现在过缝结束时，第三个峰值出现在载荷离开边梁顶面时最后阶段，即BL1 只压前斜面。

对比图6、图7 可知，BL1 与BL2 载荷变化趋势基本一致，但BL2 响应值较小，是由于载荷作用在BL1上时有翻转趋势，在弯矩影响下响应值更大，更加不利。综合图6、图7 可知，在超载情况下，随着载荷的增大，结构响应逐渐变大。但整体响应值均在安全范围，可知边梁结构在超载情况下，仍具有很高的安全余量。

图7 BL2 节点不同载荷下的等效应力曲线

由图8 可知，节点H1-3 的第一主应力最大，其值在不同超载系数p 下分别为2.18 MPa、3.27 MPa、4.36MPa，第一主应力随载荷增大而增大。由GB 50010—2010《混凝土结构设计规范》[8] 可知，混凝土C40 的轴心抗拉强度标准值为2.39 MPa。在超载1.5 倍作用下混凝土结构出现破坏。

图8 H1 节点不同载荷下的第一主应力曲线

4.3 不同车速情况下混凝土和边梁瞬态响应提取4.2 节中的节点在不同载荷条件下应力曲线如图9、图10、图11，其中v 表示车速，车速取值范围为60 ～ 120 km/h。

图9 BL1 节点不同车速下的等效应力曲线

综合图9、图10，在车速变快的情况下，结构的响应速度变快，但结构响应幅值没有很大的差别，从整体可以看出单缝伸缩装置结构比较稳固。

图10 BL2 节点不同车速下的等效应力曲线

图11 H1 节点不同车速下的第一主应力曲线

由图11 可知，H1-3 节点的第一主应力响应值最大，其值随车速增加分别为2.18 MPa、2.18 MPa、2.28MPa、2.33 MPa，第一主应力随车速增大而增大，但均不会破坏。

5 结论1）通过分析得到伸缩装置结构的载荷组合方式形式，并得出最危险的组合方式。2）通过瞬态响应分析，载荷通过伸缩装置模型，其最大响应处为型腔上部；车轮载荷对先经过的BL1产生翻转效应，使BL1 的受力情况比BL2 更加恶劣。3）在随载荷情况增大情况下，伸缩装置的响应值增大，在车速增大情况下，伸缩装置的响应变快，这两种变化条件下，伸缩装置结构响应值均不大，结构安全。4）在超载1.5 倍情况下，混凝土H1 发生破坏，但随车速变化混凝土均安全。超载是伸缩缝失效的重要原因。

参考文献[1] 综合规划司.2015 年公路水路交通运输行业发展统计公报[N]. 中国交通报，2016-05-05.[2] 邓伟. 车轮—桥梁伸缩缝系统动力学特性研究[D]. 成都：西南交通大学，2016.[3] 史石荣. 重载车辆条件下的车路耦合动力分析模型和车路相互作用分析[D]. 重庆：重庆交通大学，2012.[4] JTG D60—2015 公路桥涵设计通用规范[S].[5] Michaël J M，Steenbergen M.Dynamic response of expansion joints to traffic loading[J].EngineeringTructures，2004，26(12).[6] ANSYS Release 10.0 Documentation for ANSYS[M].canonsburg，2007.[7] 刘闯. 基于ANSYS 的粘弹性地基上粘弹性板的振动特性研究[D]. 北京：北京交通大学，2017.[8] GB 50010—2010 混凝土结构设计规范[S].