温度变化对钢桁架桥的应力变形分析

王恒星+孙硕+何宏基+王绍全

摘 要：以某钢桁架桥作为基本模型，运用有限元分析软件其建立了三位有限元模型，施加约束荷载进行计算，分析了钢桁架桥在外界温度为-20℃和40℃的两种情况下的应力以及变形的差异。分析结果表明：当外界温度升高，钢桁架桥的各个杆件以及节点处的应力以及变形都有较大的变化，所得到结论可以为桥梁工程设计提供相关的依据。

关键词：温度；应力；变形；ansys

钢桁架桥是一种常见铁路、公路桥型。在低温高寒地区钢桁架桥由于外界温度变化会产生一定的应力及变形，这对桥梁结构的耐久性是非常不利的。本文立足于探求外界温度变化对于钢桁架桥的影响，研究了钢桁架桥在-20℃和40℃时的温度变化下的应力以及变形的变化，并从应力云图和位移云图中得到相关结论。

1 有限元模型的建立

通过ansys对桥梁结构进行静力分析的时候，首先应该建立相应的有限元计算模型，这也是在有限元分析中非常关键的一步。本例为一个跨度为72m的钢桁架桥，上、下弦梁以及横梁主要是由钢材组成。本例的单元采用材料库中的beam3、link8、shell63单元。对人字形钢桁架进行模型建立，并划分网格施加约束进行求解。本结构对桥梁结构作简支约束处理，施加荷载为结构重力荷载，钢桁架桥的有限元模型如图1所示。

图1 钢桁架桥有限元模型

2 温度变化对钢桁架桥应力影响分析

定义钢桁架的线膨胀系数为1.2e-005，混凝土的线膨胀系数为1.0e-005，为模拟外界温度变化，将材料的参考温度首先设定为-20℃，对结构求解后在通用后处理中查看结构的应力云图（如图2a所示）；然后将材料的参考温度设定为40℃，对结构进行求解以后查看温度升高后的应力云图（如图2b所示）。

图2 不同温度下钢桁架应力云图

从图2中的钢桁架桥在不同外界温度下的应力变化非常巨大。结合应力云图（图2），可以得到以下结论：（1）在两种外界参考温度下，钢桁架桥应力的最大值均出现在质点处，最小值均出现跨中处，尽管应力极值点在位置上无太大变化，但数值上有较大改变，在-20℃时的最小应力为1.03 Mpa，最大应力为8.79 Mpa。在外界温度为40℃时，最小应力为1.24Mpa，最大应力为16.7Mpa。（2）在-20℃时，钢桁架桥的应力分布比较均匀，梁端各节点处应力差值不大。当温度为40℃时，桥面系各节点的应力差值较大，尤其是跨中处与支座处的应力差值达到10Mpa，说明桥面系在高温季节更易发生破坏，因此在此温度较高时应该提供一些保护措施。

3 温度变化对的人字形钢桁架变形影响分析

对钢桁架桥的有限元模型求解以后，在通用后处理中分别查看桥梁结构在-20℃时及40℃时的变形云图，如图3所示。

图3 不同温度下钢桁架变形云图

通过图3可以看出钢桁架桥在不同参考温度下的变形有了很大的变化。结合钢桁架桥的变形云图，可以得到以下几个结论：（1）由于对钢桁架桥左端施加固定端约束，因此在两种外界温度下全桥变形的最小值均出现在左端节点出，其变形值为0。但不同温度下最大变形出现的位置有所区别，在温度较低时，最大变形出现在跨中桥面处，但是温度较高时，最大变形出现在上弦杆端部。（2）两种温度下钢桁架桥梁结构的变形均是靠近固定铰支座除变形小，远离固定铰支座的变形较大。但在温度较低的情况下，变形在整个桥跨结构中分布较均匀，但是当温度为40℃，时很多节点都成为较大幅度变形节点，这导致了整个钢桁架桥的整体变形较大。（3）温度达到40℃时，结构的整体变形远大于低温时的变形，呈现出下凹状，在温度最高时的变形达到了低温时的1.637倍变形，在高温状态下应该对顶点采取一定的降温措施。

4 结语

运用ansys对人钢桁架桥在温度变化下的应变以及变形进行了分析，结合以上应变以及变形云图的结果可以得到：随着温度的升高，钢桁架桥的应力以及变形值出现了整体的上升，而且分布较低温状态下很不均匀。因此在夏季高温时候，可以对几个危险节点采取降温保护措施。

参考文献

[1] 王洋，郝志军.ANSYS在土木工程应用实例[M].中国水利水电出版社，2010.

[2] 温度变化对人字形钢桁架的应力及变形分析[J].建材发展导向， 2014，2.