铝合金拱形桁架桥力学性能模拟分析

（辽宁忠旺集团有限公司，辽宁 辽阳 111003）

钢材作为常规土木工程建设中常用的材料，但是钢结构建筑面临着锈蚀导致的耐久问题[1，2]，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腐蚀性能可以大大减小环境给整个桥梁结构带来的损伤，铝材的易加工、低密度性能使之成为一种新型的桥梁建筑材料[3]。

李薇[4]等人利用CFD模拟软件fluent对不同流线桥梁风动环境进行模拟，得出结果与实验结果非常接近，阻力系数误差小于4%，升力矩小于6%，升力系数小于3%。本文采用模拟仿真的手段对全铝桁架桥进行了综合载荷下的力学性能及模态分析，得到了桥梁受载情况下的挠度、应力分布、自振频率，为铝合金桥梁的设计提供了参考。

1 桥梁基本参数

如图1所示为本模拟中铝合金桁架桥整体结构示意图，桥整体为铝挤压型材螺接，桁架结构。

图1 桁架桥结构示意图

表1为桥梁基本参数。

表1 桁架桥模拟参数

2 有限元模型建立

2.1 材料属性及使用需求

桁架桥在使用过程中的许用工况为材料到达屈服点以前的线性阶段，具体材料属性如下表2。

表2 桥梁结构材料属性

2.2 工况说明

桁架桥结构静力学工况施加、荷载施加及约束见图2，桥梁内部的地板为主要承载面。

图2 载荷与约束

在桥梁的使用过程中，需要考量的重要载荷以及标准要求如表3所示。

表3 桥梁载荷分类

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》[5]。

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，本文简化为行人载荷、自重载荷及风载荷依次叠加施加。

3.1 自重+行人载荷

图3a为施加行人、自重荷后桁架桥挠度，挠度最大值位于桥梁中部，为54.5mm，经上一节分析，自重情况下的桥梁挠度为10.68mm，可以推算由行人载荷施加所造成的挠度为43.82mm，达到标准要求。

图3 综合载荷挠度与应力分布

从图3b中可以看出，桁架桥整体应力主要分布在约束撑位置附近，应力最高值位于地板固定螺接处，为141.78Mpa，桁架桥整体应力水平小于材料屈服。

3.2 自重+行人载荷+风载

图4a为施加行人、风、自重荷后桁架桥挠度，桥梁在之中情况下垂直方向最大挠度为54.59mm，经上一节分析，自重情况下的桥梁挠度为10.68mm，可以推算由行人载荷施加所造成的挠度为43.91mm，达到标准要求。

图4 风载荷挠度与应力分布

从图4b中可以看出，桁架桥整体应力依然集中在约束支撑位置附近，应力最高值位于固定螺接处，最大值为255.151Mpa，桁架桥整体应力水平小于材料屈服。

3.3 模态分析

在桁架桥的正常使用中，考虑到桁架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 垂直方向一阶模态

通过模拟结果可知，桁架桥整体的纵向方向自振频率最低为6.05Hz，满足国家标准要求。

4 结语

（1）桁架桥在承受行人载荷、风载均达到国家标准要求，最大垂直挠度分别为43.91mm。

（2）桁架桥自振频率为6.05Hz，达到国家标准要求。

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