斜拉桥动力特性报告.docx

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斜拉桥动力特性报告

《弹塑性力学与有限元》课程作业

主跨1500m斜拉桥设计

2015年1月

目录

1.有限元模型建立-3-

1.1单元介绍-3-

1,2边界条件设定-4-

1,3有限元模型图-4-

2、成桥状态恒载分析结果-5-

2.1荷载作用下全桥位移云图分析-5-

2.2恒载作用下结构支反力-7-

3、桥梁动力特性计算-13-

3.1成桥状态10阶模态及频率计算-13-

3.2成桥状态等效质量计算-13-

3.3振型图-15-

1.有限元模型建立

1.1单元介绍

采用ANSYS14.5结构分析软件对该斜拉桥进行结构动力特性分析

采用双主梁模型进行有限元建模。

结构各部分的单元设定如下：

（1）主梁单元：

钢主梁采用BEAM4单元建模，主梁受力宽度为23.25米，以横梁间距划分单元，采用双主梁模式，在钢箱梁形心处建模。

（2）斜拉索单元：

采用LINK10单元模拟，每根索一个单元，采用Ernst公式修正弹性模量的方法来考虑拉索垂度效应，通过初应变施加索力。

（3）弹性横梁单元：

弹性横梁采用BEAM4模拟，长度14m，截面尺寸3.2×5m和1×5m，横梁与主梁之间采用刚臂连接。

（4）桥塔单元：

采用BEAM4单元模拟，桥塔为C40混凝土，弹性模量为3.25E+4MPa。

（5）刚臂单元：

刚臂采用BEAM4单元建模，用刚臂连接弹性横梁与主梁形心，以及主梁形心与斜拉索锚固点的连接，刚臂单元密度为0，刚度取极大值。

（6）桥墩：

采用BEAM4来模拟，桥墩为C40钢筋混凝土，弹性模量为3.25E+4MPa。

（7）所有截面特性均通过ANSYS14.5计算得到，通过实常数赋值。

（8）桥面铺装等二期恒载通过MASS21单元模拟。

（9）过渡墩和辅助墩采用双柱式桥墩，通过在主梁截面位移耦合来模拟位移和主梁扭转。

全桥通过ANSYS命令流建模

采用半漂浮结构，按照以下边界条件进行建模。

边界条件设定见表1.1

1,2边界条件设定

表1.1有限元模型边界条件设定

节点

UX

UY

UZ

ROTX

ROTY

ROTZ

成桥状态

塔底、墩底

√

√

√

√

√

√

主梁通过中桥塔处

√

×

√

×

×

×

主梁通过边桥塔处

×

×

√

×

×

×

辅助墩墩顶与主梁

×

√

√

×

×

×

过渡墩墩顶与主梁

×

√

√

×

×

×

1,3有限元模型图

成桥状态的动力特性分析有限元模型见图1.1

图1.1成桥状态有限元模型

2、成桥状态恒载分析结果

2.1荷载作用下全桥位移云图分析

2.1.1恒载作用下全桥Y方向位移云图

图2.1恒载作用下全桥Y方向位移云图

2.1.2恒载作用下全桥X方向位移云图

图2.2恒载作用下全桥X方向位移云图

2.1.3恒载作用下中塔总位移图

图2.3恒载作用下中塔总位移图

由图可知，中塔最大位移值0.143m

2.1.4恒载作用下边塔总位移图

图2.3恒载作用下边塔总位移图

由图可知，边塔最大位移值1.23m，变形偏大

2.2恒载作用下结构支反力

恒载作用下结构支反力见表2.1

表2.1恒载作用下桥梁支反力

FX（kN）

FY（kN）

FZ（kN）

MX（kN*m）

MY（kN*m）

MZ（kN*m）

前辅助墩1

0

32079

7

446

0

0

前辅助墩2

0

32080

9

567

0

0

后辅助墩1

0

29841

3

187

0

0

后辅助墩2

0

29839

6

336

0

0

后过渡墩1

0

21097

70

4131

0

0

后过渡墩2

0

21100

-73

-4285

0

0

前过渡墩1

0

18549

107

5558

0

0

前过渡墩2

0

18550

-103

-5369

0

0

中塔1

-120490

1157800

-153800

1667100

-172450

-1081600

中塔2

120310

1157300

-153840

1664100

173850

1088600

中塔3

123510

1181900

153870

-1826100

-152280

1108300

中塔4

-123740

1182400

153820

-1830100

149900

-1099100

前边塔1

-10975

1158600

-172600

1299600

768170

3570700

前边塔2

-10975

1158600

172560

-1301700

-768170

3570700

后边塔1

10887

1159700

-172800

1301100

-763700

-3550000

后边塔2

10887

1159700

172780

-1302600

763700

-3550000

总值

-591

9519100

16

-326930

-985

57667

2.3恒载作用下主梁内力图

2.3.1恒载作用下主梁弯矩图

图2.3恒载作用下主梁弯矩图

由图可知，主梁最大弯矩值为97300KN*m,最小弯矩值-111000KN*m

2.3.2恒载作用下主梁轴力图

图2.4恒载作用下主梁轴力图

由图可知，主梁最大轴力值为-170000KN,最小轴力值-11900KN

2.3.3恒载作用下主梁剪力图

图2.5恒载作用下主梁剪力图

由图可知，主梁最大剪力值为6600KN,最小剪力值--6500KN

2.3.4恒载作用下中塔弯矩图

图2.6恒载作用下中塔弯矩图

由图可知，中塔最大弯矩值为9.14E4KN*m,最小弯矩值-6.63E4KN*m

2.3.5恒载作用下中塔轴力图

图2.7恒载作用下中塔轴力图

由图可知，中塔最大轴力值为1.35E6KN,最小轴力值-2.27E5KN,最大轴力在塔底，中塔横梁受拉。

2.3.6恒载作用下中塔剪力图

图2.8恒载作用下中塔剪力图

由图可知，中塔最大剪力值为9.14E4KN,最小剪力值-6.63E4KN

2.3.7恒载作用下边塔弯矩图

图2.9恒载作用下边塔弯矩图

由图可知，中塔最大弯矩值为3.65E6KN*m,最小弯矩值-3.63E6KN*m

2.3.8恒载作用下边塔轴力图

图2.10恒载作用下边塔轴力图

由图可知，边塔最大轴力值为1.17E6KN,最小轴力值-2.70E5KN,最大轴力在塔底，边塔横梁受拉。

2.3.9恒载作用下边塔剪力图

图2.11恒载作用下边塔剪力图

由图可知，边塔最大剪力值为7.20E4KN,最小剪力值-7.19E4KN

2.3.3恒载作用下全桥VonMises应力云图

图2.4恒载作用下全桥VonMises应力云图

由图可知，全桥最大VonMises应力为291MPa

3、桥梁动力特性计算

3.1成桥状态10阶模态及频率计算

根据设计资料已给的斜拉桥索力，计算得到Ernst方程中的索力，计算得到斜拉索等效弹性模量，结构动力计算部分采用子空间迭代法计算前10阶振型及相应频率。

其中有部分振型相互耦合，详细情况见表3..1所示。

表3.1成桥状态前10阶模态及频率

模态

频率

振型

1

0.0878

主梁反对称侧弯一阶

2

0.0901

主梁正对称侧弯一阶

3

0.1090

主梁反对称竖弯一阶

4

0.1311

主梁正对称竖弯一阶

5

0.1365

主梁反对称竖弯二阶

6

0.1616

桥塔侧弯

主梁正对称侧弯二阶

7

0.2179

主梁正对称竖弯二阶

8

0.2242

主梁反对称竖弯三阶

9

0.2320

主梁反对称侧弯二阶

10

0.2400

主梁正对称侧弯三阶

…

…

…

24

0.3748

主梁正对称扭转一阶

由表分析可知，斜拉桥跨径大，刚度低，计算的频率相对偏低

3.2成桥状态等效质量计算

考虑全桥振动效应和振动空间特性的主梁等效质量和等效质量惯矩。

主梁等效质量和等效质量惯矩可按下式计算：

（3.2-1）

（3.2-2）

其中：

：

各阶固有模态对应的广义质量；

：

其中的d取x，y，z；

：

各阶固有模态在主梁

处沿纵向振型值；

：

各阶固有模态在主梁

处沿竖向振型值；

：

各阶固有模态在主梁

处沿侧向振型值；

：

各阶固有模态在主梁

处绕纵桥向转角的振型值；

：

为大桥主梁全长。

成桥状态等效质量计算见表3.1

表3.1等效质量

模态

振型

MX（T/M）

MY（T/M）

MZ（T/M）

JXJX（T*M^2/M）

1

主梁反对称侧弯一阶

1.17E+04

9.43E+03

1.82E+01

3.17E+06

2

主梁正对称侧弯一阶

1.14E+04

8.68E+03

1.83E+01

2.92E+06

3

主梁反对称竖弯一阶

2.55E+04

2.75E+01

7.49E+07

3.94E+09

4

主梁正对称竖弯一阶

2.17E+03

2.83E+01

1.72E+08

5.08E+09

5

主梁反对称竖弯二阶

6.99E+02

3.20E+01

1.05E+08

9.16E+08

6

桥塔侧弯

主梁正对称侧弯二阶

2.96E+05

4.07E+04

9.65E+02

1.37E+07

7

主梁正对称竖弯二阶

4.69E+02

1.92E+01

1.94E+06

1.47E+09

8

主梁反对称竖弯三阶

8.14E+01

4.02E+01

6.57E+04

1.85E+09

9

主梁反对称侧弯二阶

3.49E+03

9.83E+03

1.88E+01

3.65E+06

10

主梁正对称侧弯三阶

3.48E+03

1.10E+04

1.95E+01

3.76E+06

3.3振型图

成桥状态前10阶振型见图3.1-3.10,对照表3.2.1：

图3.1主梁反对称侧弯一阶

图3.2主梁正对称侧弯一阶

图3.3主梁反对称竖弯一阶

图3.4主梁正对称竖弯一阶

图3.5主梁反对称竖弯二阶

桥塔侧弯

图3.6主梁正对称侧弯二阶

图3.7主梁正对称竖弯二阶

图3.8主梁反对称竖弯三阶

图3.9主梁反对称侧弯二阶

图3.10主梁正对称侧弯三阶