黑宝平
航天与建筑工程学院
摘要：本文利用仿真分析软件ANSYS对桁架桥实现全桥建模，进而进行受力分析，对总体结构，以及桁架中各弦杆、腹杆和横梁的位移进行仿真。得出一些结论，为同类工程结构的有限元分析提供参考。 关键字：仿真分析软件ANSYS；全桥建模；受力分析；仿真
1 工程概况
桁架桥即truss bridge，指的是以桁架作为上部结构主要承重构件的桥梁。
桁架桥一般由主桥架、上下水平纵向联结系、桥门架和中间横撑架以及桥面系组成。在桁架中，弦杆是组成桁架外围的杆件，包括上弦杆和下弦杆，连接上、下弦杆的杆件叫腹杆，按腹杆方向之不同又区分为斜杆和竖杆。弦杆与腹杆所在的平面就叫主桁平面。大跨度桥架的 桥高沿跨径方向变化，形成曲弦桁架；中、小跨度采用不变的桁高，即所谓平弦桁架或直弦桁架。
桁架结构可以形成梁式、拱式桥，也可以作为缆索支撑体系桥梁中的主梁(或加劲梁)。桁架桥梁绝大多数采用钢材修建，亦有采用预应力混凝土修建的例子。我国比较有名的桁架桥梁有：武汉长江大桥(三联3×128m连续钢桁梁，1957年，为“万里长江第一桥”)、南京长江大桥(三联3×160m连续钢桁梁，1969年)、九江长江大桥(180m+260m+160m梁拱组合体系，1993年)、芜湖长江大桥(180m+312m+180m钢桁斜拉桥，1999年)商科和香港青马大桥(主跨1377m钢桁加劲梁悬索桥，1997年)，目前已动工修建的重庆朝天门大桥为190m+552m+190m钢桁拱桥，将成为世界最大跨径拱桥。桁架桥为空腹结构，因而对双层桥面有很好的适应性，以上列举的几座桥均布置为双层桥面。
随着计算能力的提高及方法的改进，可以计算更大跨径、更高强超静定次数的桁架桥。在同样跨径的桥梁中，桁架桥一般总是人们的首选，因为大有成熟而快捷的计算方法和施工技术作为保证。而且由于预应力技术的出现，使桁架桥的经济性更加突出，人们通过施加预应力筋可以使桥梁的材料节省10％以上。
2 仿真模型
本桥的仿真分析采用梁，杆，壳建模。整个分析在大型通用有限元程序ANSYS中建立空间计算模型中进行。计算中，采用施加初应变的方法来给结构施加一定的初始应力。在施加预应力时，只给竖杆和下弦杆施加预应力，其他杆件不施加初应力。桁架桥是通过各基本杆件的受拉或受压特性能力来承受外界的各种载荷的。桥梁的各个截面肯定是要承受弯曲作用的，而这些内力一般要由基本杆件来承担。但是基本受弯的构件往往使材料性能得不到完全的利用，也就是说有一部分材料是浪费的。然而桁架桥却通过杆件的有效组合，杆件能够以拉、压的形式来承受弯矩，从而使各种材料得到充分利用。进一步分析可以看出，上弦杆和斜腹杆一般是受压力作用，而下弦杆和竖杆则受拉力作用。这样整个结构是以拉、压杆的形式组合在一起的，达到了比较理想的结构设计状态。
桁架桥宽10、桥长72、高12，每个节段长12，在载荷作用下分析各杆件的受力状况。
图1 有限元计算模型
建模假设：
建立有限元模型是基于以下假设的基础上形成的：
1 假设桥面板和纵梁的形心在同一水平面上。
2 假设各节点满足理想连续条件。
3 假定结构不发生预应力损失。
4 整个结构自下而上建模。
5 忽略单元桥面板的垂度变化。
6 建模坐标定义为，顺桥向为x方向、横向为y方向、竖向为z方向。
7 各杆件的单元类型、实常数等规定如下表所示。
表 桁架桥各杆件单元属性
深圳ci设计公司
构件名称 | 单元类型 | 单元编号 | 材料号 | 实常数号 |
下弦梁 | BEAM4 | 1 | 1 | 1 |
上弦梁和横梁 | BEAM4 | 1 | impreza wrx1 | 2 |
端斜腹梁 | BEAM4 | 1 | 2 | 3 |
其他斜腹杆 | LINK8 | 2 | 3 | 4 |
竖杆 | LINK8 | 2 | 3 | 5 |
桥面板 | SHELL63 | 3 | 4 | 6 |
| | | | |
单元的选择：
梁单元用BEAM4来模拟的。它是一个轴向拉压、扭转和弯曲的单元，每个节点有6个自由度，包括3个平动和3个转动自由度。本单元具有应力刚化和大变形功能。杆单元是用LINK8来模拟。桥面板单元用SHELL63来模拟。
3 结果分析
⑴ 总体结构位移图
图2 桁架桥在集中力作用下的位移图
由图2知，结构的挠度由跨中向两端逐渐减少。由于最大挠度发生在跨中，而且它的位移大小为0.01647，一般的结构静力作用下要满足，从而可以检验桁架桥结构在这样的集中力下是满足刚度要求的，即。
由上图又知，腹梁构件应力全为负值，说明它是受压的，而且它的最大弯曲应力达到了MPa级，可见对它做梁单元的假设是正确的。在跨中部分腹杆的受力比较小，甚至有理论上的“零杆”。
从图还可以看出除下弦杆端横梁以及上弦杆的中间横梁是受压的，除此之外的所有构件都是受拉的，而且下面横梁的轴应力显然要大于上面构件的轴应力，这些都是需要注意的地方。所有可以将上弦梁假设为杆件，下面的横梁的横截面积要适当的比上面的横截面积大一些。
⑵ 桁架中下弦杆的受力分析
图3 下弦杆受力后的位移图
由图3可见，桁架的弦杆在跨中部分受力比较大，向支座方向逐步减小。下弦梁除了下挠度
外还有沿X轴正向的移动，故它是在受拉的，且大多在1～9MPa之间。这也符合桥梁在实际建造的所要遵循的要求。
杆件轴线调整好后, 张力上弦杆预应力时, 由于上弦杆同一水平面预应力束的张拉力存在偏差, 导致部分杆件轴线有较大的偏位, 而当预应力张拉完成后,杆件轴线很难再调整到位。因此如何控制好上弦杆同一水平面预应力束张拉力的大小是杆件轴线能否调整到位的关键因素。
⑶ 桁架中竖杆的受力分析
图4 竖杆受力后的位移图
由图4知，对于杆件也可以从杆上相对的竖向位移来判断，中间竖杆是相对原来变长了。当桁架只承受节点荷载时，所有杆件只受轴心拉力或压力；如在杆件节间内也承受荷载，则该杆件将同时受弯。桁架杆件一般较细，布置节点时应尽量避免或减小局部弯矩。对杆件截面高度与长度比值较大的桁架，必要时应考虑节点刚性引起的杆件次应力。
⑷ 桁架中除端斜腹杆外的其他腹杆的受力分析
图5 斜腹杆位移图
由图5知，最中间两对杆件是受压的，而其他边上的两对则是受拉的，应力值也在1～9MPa之间。
4 结论
（1）弹性模量是影响结构线性的主要因素，上弦杆同一水平面预应力束张拉力的大小是否均衡是杆件轴线能否调整到位的决定因素。
（2）桁架的弦杆在跨中部分受力比较大，向支座方向逐步减小；而腹杆的受力主要在支座附件最大，在跨中部分腹杆的受力比较小，甚至有理论上的“零杆”。
（3）以上的分析是在假设建模条件下得出的，而与有些假设不符合，则需要再次建模来设定单元的种类和实常数，如腹杆需要加强，而上弦杆为了经济则可以减弱一些。
（4）对杆件的拉压分析是很有必要的，因为对混凝土结构来说受压构件就可以少配预应力筋，而受拉的则要考虑了。以上的建模和分析就是一个设计优化再设计的过程。
参考文献
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[7] ANSYS土木工程应用实例（第二版）[M]．北京：中国水利水电出版社，2007．
科学分析方法与建模论文
ANSYS桥梁应用—桁架桥的受力仿真
院 （系）：航天与建筑工程学院
专 业：工程力学
学 号：S3*******2
学生姓名：黒 宝 平
指导教师：张志勇 教授
2010威廉姆森年5月
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