10m铝合金廊桥力学性能模拟

■ 陈立超，张书豪，从述玲，李冰，刘瑞萍，孔雪

扫码了解更多

钢材作为常规土木工程建设中常用的材料，因其具有诸多的优良性能得到世界各方面的广泛认可，但是钢结构建筑面临着锈蚀导致的耐久问题，在处于工业环境较恶劣的地区将受到严峻考验。并且钢结构建筑构件质量较大，给运输带来诸多不便。与钢结构桥梁相比，使用铝挤压型材拼装生产的铝合金桥梁不但能够达到常规钢结构桥梁的使用性能，还能因铝材特有的耐蚀性能可以大幅减小环境给整个桥梁结构带来的损伤，同时铝合金质量较轻，是钢的三分之一，便于运输。铝材还具有良好的易加工性能。正是这些特点使铝合金成为一种新型的桥梁建筑材料。

有文献记载，利用CFD模拟软件fluent对不同流线桥梁风动环境进行模拟，得出结果与试验结果非常接近，阻力系数误差小于4%，升力矩小于6%，升力系数小于3%。利用仿真模拟软件Abaqus对荆沙长江斜拉桥进行了全方位的模拟分析，得到了非常精确的模拟分析结果。本文采用模拟仿真的手段对全铝廊桥进行了综合载荷下的力学性能分析机模态与稳定性的分析，得到了桥梁受载情况下的挠度、应力分布、自振频率及失稳载荷，为铝合金桥梁的设计提供了参考。

1. 桥梁基本参数

图1为本模拟中铝合金廊桥整体结构示意，廊桥整体为铝挤压型材螺接，呈桁架结构。

图1 廊桥结构示意

表1 廊桥模拟参数

2. 有限元模型建立

（1）材料属性及使用需求

由于廊桥在使用过程中许用工况为材料到达屈服强度以前的线性阶段，所以在进行材料属性采集时仅需输入材料的弹性模量与泊松比即可，而材料弹性模量与泊松比仅与材料本身成分有关，具体材料属性如表2所示。

表2 桥梁结构材料属性

（2）工况说明 廊桥结构静力学工况施加、荷载施加及约束如图2所示，桥梁内部地板为主要承载面，图中约束位置为墙体混凝土，由于墙体部分为实体网格绘制，故仅需约束UX、UY、UZ方向自由度，桥梁其他位置为壳单元组成。

在桥梁使用过程中，需要考量的重要载荷及标准要求如表3所示。在本桥梁设计中，参考国家标准CJJ 69－1995《城市人行与人行地道技术规范》。

3. 模拟结果分析

由于桥梁在正常使用过程中，会承受多方面施加的载荷，本文简化为3种载荷，分别为人群载荷、雪载荷、风载荷，模拟过程中依次叠加施加。图3a为施加人群载荷后廊桥挠度，挠度最大值存在于廊桥踏板处7.11mm，廊桥纵梁中部挠度为1.229mm，在国家标准12.5mm要求范围内。

图2 载荷与约束

从图3b中可以看出，廊桥整体应力主要分布在地板及支撑位置，应力最高值位于地板固定螺接处，为141.64MPa，廊桥整体应力水平小于材料屈服强度。

图4a为施加人群、雪载荷后廊桥挠度，挠度最大值存在于廊桥踏板处7.22mm，廊桥纵梁中部挠度为1.344mm，在国家标准12.5mm要求范围内。

从图4b中可以看出，廊桥整体应力主要分布在地板及支撑位置，应力最高值位于地板固定螺接处，为141.78MPa，廊桥整体应力水平小于材料屈服强度。

图5a为施加人群、风、雪载荷后廊桥挠度，挠度最大值存在于廊桥顶部中间位置14.74mm，廊桥纵梁中部挠度为1.76mm，地板最大挠度7.19mm，垂直挠度在国家标准12.5mm要求范围内。

图3 人群载荷挠度与应力分布

表3 桥梁载荷分类

从图5b中可以看出，廊桥整体应力主要分布在廊桥横纵梁连接螺接位置，应力最高值位于地板固定螺接处，最大值为211.92MPa，廊桥整体应力水平小于材料屈服。

在廊桥的正常使用中，考虑到廊桥结构的固有频率即自振频率的大小对结构在受激时是否会发生共振起着主导型的作用，对桥梁的固有频率进行了模拟计算。图6为一阶模态下变形程度与固有频率。

图5 风载荷挠度与应力分布

通过模拟结果可知，廊桥整体的纵向方向自振频率最低为4.26Hz，满足国家标准要求。

图7为廊桥屈曲模态分析，主要考量廊桥的稳定性。从模拟分析结果得出，廊桥的整体结构较稳定。三阶特征值分别为13.93、14.08、14.87，从特征值来看，廊桥整体对缺陷较敏感。

图6 一阶模态挠度与应力分布（频率：4.26Hz）

从图7还可以看出，廊桥发生失稳的位置在廊桥两侧竖梁位置。结合特征值计算，失稳载荷为1.18×103kN，远大于廊桥实际载荷。

4. 结语

（1）廊桥在承受人群载荷、风载、雪载荷均达到国家标准要求，地板与主梁垂直最大挠度分别为7.19mm、1.76mm。

图7 屈曲示意

（2）廊桥自振频率为4.26Hz，达到国家标准要求。廊桥失稳载荷为1.18×103kN，远大于廊桥实际载荷。

（3）从模拟结果来看铝挤压型材拼装的全铝廊桥完全能够达到使用要求，可替代钢结构。