车辆荷载作用下装配式钢桁架桥应力时变分析

张筠松，何晓晖，高磊，张宇

（1.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007；2.成都军区善后办公室房管局，四川成都610017）

车辆荷载作用下装配式钢桁架桥应力时变分析

张筠松1，何晓晖1，高磊1，张宇2

（1.解放军理工大学野战工程学院，江苏南京210007；2.成都军区善后办公室房管局，四川成都610017）

为分析车辆荷载作用下装配式钢桁架桥应力时变特性，建立了车辆荷载模型和钢桁架桥三维有限元模型，利用ANSYS仿真分析技术对钢桁架桥进行车辆荷载的通载加载，得到整桥的应力云图和各杆件最大应力的时程曲线；相同条件下，得到了多次通载下单元的最大应力时变规律，为钢桁架桥的承载力时变分析提供了一定的仿真依据。

钢桁架桥；车辆荷载；仿真；应力；时变

装配式钢桁架桥[1]是一种能快速架设、撤收，且灵活机动的移动式桥梁，其具有结构简单、能够承受的最大荷载的级别高、互换性好以及地形适应能力强等特点。装配式钢桁架桥不仅在军事运输、抢险救灾等方面具有重要作用，在平时的交通工程建设保障中也发挥着重要作用。车辆荷载作为钢桁架桥的主要承受载荷，桥梁结构在各种车辆载荷的作用下，桥梁的应力会随着时间的变化而变化。本文利用ANSYS对装配式钢桁架桥进行通载仿真分析，以分析桥梁应力的时程变化情况。

1分析模型的建立

1.1 车辆荷载模型

当车辆在桥梁上通行时，车辆和桥梁会产生耦合振动作用，合理的车辆荷载模型[2]能尽可能的反映车辆真实的物理特征，同时也不会使计算量大幅增加。王少钦[3]在比较了移动荷载模型和移动质量模型后，得出如下结论：车辆质量与桥梁质量相比很小或车辆质量相对较大但车速较低时，可使用移动荷载来模拟车辆过桥时的动力作用；而当车辆质量相对较大且速度较高时，必须用移动质量来模拟以确保模型的正确性。

本文的车辆荷载选取重量为60 t的某履带式荷载，质量相比于桥梁较大，通行速度5 km/h相对较小，因此可以将车辆模型简化为移动常量力模型如图1所示。

图1 移动常量力模型

1.2 桥梁有限元模型

用参数化建模[4]的方式在ANSYS中建立桥梁三维模型，桥梁长度51m，由六个桥节组成，桥节之间采用耦合连接。材料为DB685钢，屈服强度为590 MPa，材料容重为7.85×10-5N/mm2，弹性模量为E=2.1×105N/mm2.上下弦杆采用beam188单元，其余杆件采用杆单元Link8.建立模型时不考虑桥面板，两端各留出两米作为支撑，得到的桥梁整体模型如下图2所示。

图2 桥梁整体模型

桁架结构部分由5种杆件组成，分别是上弦杆1、上弦杆2、斜腹杆、直腹杆和下弦杆。杆件具体结构如图3所示。

图3 各杆件结构示意图

2装配式钢桁架桥应力时程分析

对装配式钢桁架桥进行单次通载瞬态动力学[5]仿真分析，载荷为60 t，通载速度5 km/h，载荷步设置为自动时间步，步数设置为46步，打开大变形开关，得到整桥的应力云图如图4所示。

图4 整桥应力云图

从图4可知，桥梁从两边越向中间杆件应力越大，最大应力杆件出现在桥梁中间的下弦杆处。从结构上来说，下弦杆处于倒三角桁架结构中的最下方，是主要的承力结构，承受荷载时受到两边的拉扯作用，因此承受最大的受拉应力。进一步提取各个杆件的最大应力时程曲线如图5所示。

图5各杆件最大应力时程曲线图

图5 进一步解释了应力云图中应力的分布情况，可知杆件2和杆件3收到拉应力作用而其余的3个杆件都受到压应力作用。杆件3的应力要远远大于其它杆件而且杆件3的动态响应也明显大于其它杆件，由于装配式钢桁架桥属于超静定结构，在分析应力时变时可以选择最不利杆件为研究对象，因此通过应力的时程分析可知下弦杆可以作为最不利杆件。

3装配式钢桁架桥最大应力时变分析

通过杆件时程分析可知最大应力位于桥梁中间的下弦杆处，提取附近单元的的应力值得到最大应力单元为362单元，其应力时程曲线图如图6所示。从图中可知应力数值并不完全符合光滑的曲线，这是由于车桥耦合振动下的动态响应[6]导致应力值出现范围波动情况，数值的偏差性从另一个方面也反映出桥梁动态响应的高低程度。

图6 362单元应力时程曲线

一般来说装配式钢桁架桥在车辆荷载的反复作用下，桥梁会出现疲劳效应从而导致桥梁整体的承载力会出现下降，反映在个各杆件上则是杆件应力值的增加。杆件在长期荷载的作用下钢材屈服强度下降，在同样荷载下，杆件需要承受更大的应力作用。为了掌握桥梁应力随时间的变化情况，以362单元为例，多次通载下单元的应力时程曲线图如图7所示。

图7 多次通载下362单元应力时程曲线图

可以看出，随着通载次数的不断增加，每一时刻的单元应力值也相应的增加，从绝对数值上来说增加数值相对原本应力值较小，这是因为钢材的屈服强度高，刚性较好，应力基数大增长相对比较缓慢。但从相对角度上来说，单元应力值的小幅增加对钢材也有很大的影响，特别是对于某些关键连接部位，应力值的增加会使结构的集中应力陡然增加，极大的危害桥梁结构的安全性能，因此有时在进行桥梁受力分析时需要以最大应力作为安全标准，车辆荷载多次通载下的桥梁最大应力时变曲线如图8所示。

图8 最大应力时变曲线图

通过结果可以看出最大应力随着通载次数的增加逐步增加，应力最大增幅达到了5.05%，且随着次数增加应力增长的速度也逐渐变快，可以预测的是当应力增加至某一个临界时刻值，过大的应力会导致钢材的应力破坏进而使桥梁结构失效，通常也就是说达到了桥梁的使用寿命。因此最大应力时变曲线图可以从一定程度上反映桥梁的承载力变化情况，给桥梁的承载力时变评估[7]提供了一定的仿真依据。

4结束语

对车辆荷载作用下装配式钢桁架桥进行时变分析，有助于分析荷载通载过程中桥梁整体受力的变化情况，对掌握桥梁受力的时变规律，揭示潜在的荷载危险，指导桥梁通行规则的制定提供了有力的分析依据，具有较大的现实意义。

[1]罗安.重型支援桥极限承载力分析[D].武汉：武汉理工大学，2007.

[2]肖新标，沈火明.3种车桥耦合振动分析模型的比较研究[J].西南交通大学学报，2004，39（2）：172-175.

[3]王少钦，岳祖润.车辆对桥梁动力作用简化方法的研究[J].石家庄铁道学院学报，2005，18（3）：47-51.

[4]龚亚琦，刘小虎，杨文兵.基于ANSYS的桥梁参数化建模[J].中南公路工程，2006，31（4）：77-79，92.

[5]吕彭民，丁智.架桥机主梁结构瞬态动力学[J].长安大学学报，2005，25（4）：80-83.

[6]张彬，柳东委，刘波.移动荷载作用下桥梁的动态响应研究[J].2009（30）：289，323.

[7]杨栋.基于时变可靠度的桥梁剩余承载力评估[D].兰州：兰州理工大学，2008.

Time-Varyingstress Analysis Based on Vehicle Load of Prefabricated Truss Bridge

ZHANG Yun-song1，HE Xiao-hui1，GAO Lei1，ZHANG Lei2
（1.College of Field Engineering，PLA University of Science and Technology，Nanjing 210007，China；2.Housing Authority of the Chengdu Military Region Rehabilitation Office，Chengdu 610017，China）

In order to analyzing time-varyingstress properties of a prefabricated truss bridge under the influence of vehicle load，first we built a Vehicle load model and a 3-D finite model of the truss bridge.Using the ANSYS technology of simulation-analysis to loading vehicle load on the truss bridge，which provided stress cloud of the whole bridge and the maximum stress time-history curve of every pole；under the same condition，which provided time-vary law of the maximum stress based on multiple loading，which can provide simulation basis of time-varying bearing capacity for truss bridge.

truss bridge；vehicle load；simulation；stress；time-varying

TH 123.4

A

1672-545X（2016）12-0021-03

2016-09-09

张筠松（1992-），男，江西赣州人，硕士研究生，主要从事军事装备技术研究；何晓晖（1975-），男，河北深泽人，博士，副教授，研究方向为工程装备与技术研究。