基于ANSYS的桁架结构地震响应分析

江北大　刘治宏　蔡晓红

地震是造成桥梁破坏的重要原因之一。为降低地震造成的损失，需要对桥梁的地震响应进行相应的分析，使桥梁在设计上满足抗震要求。

80m下承式简支钢桁架桥在铁路工程中被广泛使用。设某桥跨度为80m，宽度为24m，高度为13m，两侧桥墩为重力式，杆件截面为H型，由两块竖板和一块横板焊接而成，如图1所示，图中1为上下弦杆，2为端斜杆，3为竖杆，4为腹杆。竖向活载采用铁路标准活载。

1 ANSYS分析方法

1.1 谱分析技术

谱分析技术是一种将模态分析结果与一个已知的谱联系起来，然后计算模型的位移和应力的分析技术。主要用于确定结构在随机载荷或时间变化载荷作用下的动力响应，如地震、风载等。ANSYS的谱分析方法主要有：单点响应谱分析，多点响应谱分析，动力设计分析，功率谱密度分析。

1.2 瞬态动力学分析

瞬态动力学分析也称时间历程分析，可以用来分析结构在承受任意的、随时间变化的载荷作用时的动力响应。有如下三种方法：

1）Full法：采用完整的系统矩阵计算瞬态响应，允许有结构非线性特性。

2）Reduced法：采用主自由度及缩减矩阵压缩问题规模，先计算主自由度位移，然后将其扩展到初始的完整自由度上。

3）Mode Superposition法：通过模态分析得到的振型，再乘以参与因子并求和来计算结构的响应。

2建立有限元模型

2.1 单元的选择

空间结构使用梁单元BEAM188模拟，该三维单元适用于分析细长的梁。元素基于Timoshenko梁理论，具有扭切变形效果，此元素能很好的应用于线性分析以及大偏转、大应力的非线性分析。

2.2 材料的属性

所设计的H型截面杆件，其相关参数如图1所示，并设置E=2.0e+11、μ=0.3、ρ=7850kg/m3。

2.3 建立空间几何模型

根据图1所示桁架桥结构，在ANSYS中建立空间有限元模型。共40個节点，94个单元。

3地震波瞬态分析

3.1地震波参数

采用El Centro地震波进行模拟分析，其时程曲线如图2所示。

3.2地震波的加载求解

在ANSYS的工作目录下建立地震波的时间-加速度的txt文件。然后采用时程分析法中的Full法，比例阻尼值设置为0.05，地震波时间设置为16秒，时间间隔设置为0.02秒，每个加载步的加载形式为ramp，每个加载步分为10个子步，使用命令流求解得到结果。

3.3查看结果

在时间后处理器中，选择跨中上下节点node1和node3的Z方向的两个变量。node1和node3的Z方向的位移响应的比较如图3所示，如图所示，两个节点的响应曲线基本上重合，表明两节点间的位移响应无迟滞效应。

4结论

本文利用BEAM188单元建立桁架桥空间有限元模型，对其在El Centro地震波作用下进行了瞬态动力学分析，计算结果表明节点间位移没有发生迟滞效应，说明结构设计是合理的。

（作者单位：陆军工程大学军械士官学校基础部机械基础教研室）