毕业论文-基于ANSYS独塔斜拉桥不同荷载响应分析

1、山东科技大学学士学位论文 摘要山东科技大学学士学位论文 桥梁风荷载与地震荷载的简介2.1 桥梁风荷载简介 风荷载是指遇到建筑物时在建筑物表面产生的一种压力或吸力。风压的变化可分为两部分：一是长周期部分，其值常在十分钟以上；二是短周期部分，常常只有几秒钟左右20。为了便于分析，常把实际风压分解为平均风压（由于平均风速产生的稳定风压）与脉动风压（不稳定风压）两部分。考虑到风的长周期大大地大于一般结构的自振周期，因此平均风压对结构的作用相当于静力作用。脉动风压周期短，其强度随时间而变化，其作用性质是动力的，将引起结构振动。因此风具有静态和动态两种特性。在单层厂房或多层建筑结构设计中，一般仅考虑风的静

2、力作用效应，但对高层建筑和高耸结构，则必须考虑风压脉动对结构的作用与影响21。风荷载的大小及其分布非常复杂，除与风速、风向有关外，还与建筑物的高度、形状、表面状况、周围环境等因素有关。作用于建筑物上的风压值及其分布规律，一般可通过实测或风洞试验来获得。对于重要的未建成的建筑物，为得到与实际更吻合的风荷载值，不但要以建筑物本身为模型进行风洞试验，而且还要做以所设计建筑物为中心的一定范围内的包括邻近建筑物及地面粗糙度的模型试验22。JTJ D60 2004中对风荷载标准值的计算规定：横桥向的计算 假定风载荷水平地垂直作用于桥梁各部分迎风面积的形心上，计算公式为： (2-1) 式中_横桥向风载荷标准

3、值（）； _基本风压（）； _设计基准风压（）； _横向迎风面积（），按桥跨结构各部分的实际尺寸计算； _桥梁所在地区的设计基本风速（），系按平坦空旷地面，离地10m高，重现期为100年10min平均最大风速计算确定； _高度Z处的设计基准风速（）； Z_距水面或地面的高度（m）； _空气重力密度（）； _设计风速重现期换算系数，对于单孔跨径指标为特大桥和大桥的桥梁，=1.0，对于其他桥梁，=0.90；对施工架设期桥梁，=0.75；当桥梁位于台风多发地区时，可根据实际情况适度提高值； _地形、地理条件系数，按表2.1取用； _阵风风速系数，对A、B类地表=1.38，对C、D类地表=1.70.A

4、、B、C、D地表类别对应的地表状况见表2.2； _考虑地表粗糙度类别的和梯度风的风速高度变化修正系数可按表2.3取用； _风载阻力系数； g_重力加速度。表2.1 地形、地理条件系数地形、地理条件地形、地理条件系数一般地区1.00山间盆地、谷底0.750.85峡谷口、山口1.201.4表2.2 地表分类地表粗糙度类别地表状况A海面、海岸、开阔水面B田野、乡村、丛林及低层建筑物稀少地区C树木及底层建筑物等密集地区、中高层建筑物稀少地区、平缓的丘陵地D中高层建筑物密集地区、起伏较大的丘陵地表2.3 风速高度变化修正系数离水面或地面的高度（m）地表类别ABCD51.051.000.860.79101

5、.171.000.860.79151.231.070.860.79201.281.120.920.79301.341.191.000.85401.391.251.060.85501.421.291.120.91601.461.331.160.96701.481.361.201.01801.511.401.241.05901.531.421.271.091001.551.451.301.131501.621.541.421.272001.731.621.521.392501.751.671.591.483001.771.721.661.573501.771.771.711.644001.771.

6、771.771.711.771.771.771.772.2 桥梁地震荷载简介 对于桥梁而言，地震所带来的破坏，无论从数量上，还是从程度上，都大大超过其他自然灾害的破坏。严重的桥梁灾害不但直接影响交通，而且经常引发次生灾害，从而加剧地震灾害的严重性。为了减轻地震所造成的损失，既要对桥梁做好抗震加固工作，又要在桥梁设计上采取措施以满足抗震的要求23。地震对桥梁的影响和危害 （1）桥台的震害 桥台是桥梁两侧岸边的支撑部分，一般是在岸边的原域填土上，用钢筋混凝土修建三角形或矩形的支台。因为桥台的路基高且三面临空，振动大，桥台和下面土的刚度不同，又相互作用，土体本身在地震中会产生液化、震陷破坏。 （2）

7、桥墩震害 桥墩是支撑桥身的主要构件，其震害主要包括桥墩的断裂、剪断和裂缝，其次还有桩柱因埋入深度不够等原因遭受坏。 （3）落梁震害 落梁是桥梁最严重的震害现象。地震时梁与桩柱发生位移，两岸桥台往河心滑移，引起岸坡滑移破坏。对于钢筋混凝土梁式桥，地震时该桥活动支座上的梁均从支座上脱落，固定支座钢板焊接缝均被破坏，桥墩压碎。不良基础导致桥梁破坏地震中大部分桥梁倒塌都是由于地基失效和砂土液化造成的，砂土液化通常指饱和细粉砂，在地震作用下失去抗剪能力，变为流动状态。地基失去承载力，使得位于上部土层的桥墩倾斜、滑移。 （4）支座破坏 支座在桥梁结构中是一个非常重要的部分。桥梁的桥身并不是直接架放在桥墩上

8、，必须安装防落梁支座，用来防止地震时位移过大而造成落梁。支座破坏是桥梁上部结构中最常见的一种破坏现象，相邻梁互相碰撞或梁的纵、横向位移，大多数都是以支座 因此，对桥梁的地震响应进行相应的分析是很有必要的。地震的作用理论大体可以分为静力理论和动力理论两部分，现简介如下。静力理论创始于意大利，发展于日本。1900年左右，日本学者大森房吉、佐野利器等对其发展做出了重要的贡献。静力理论认为，结构物是刚体，其最大加速度等于地震动最大加速度，所以结构物所受地震力为24： (2-2)式（2-2）中，W为物体重量；k为水平地震系数，日本称为工程震度或工程烈度。由于静力理论的力学概念明确，计算简便，几十年来一直

9、受到重视，现行抗震设计规范中某些大体积的重力式的结构物仍然采用静力理论为基础的地震力计算公式。但是，结构物并不是绝对刚性的，而是可变性的，所以在地震发生时不同高程的结构物反应加速度与其基础的反应加速度不尽相同。 动力理论主要包括反应谱理论、随机振动等非线性振动理论，以及现在在数值仿真及有限元分析常用到的时程分析法。对于反应谱理论，对于任意给定的地震输入和以及的结构阻尼比，把谱速度作为结构的自需用频率或周期的函数来进行计算，对于每一种频率给出谱速度值的一个点，在一定的有实际意义的结构周期范围内把这些点连起来，就得到速度反应谱，按照反应谱的相关关系式就可得到位移反应谱和加速度反应谱。由于加速度反应

10、谱直接与地震用力有关系，所以各国的抗震设计规范一般都给出加速度反应谱。中国公路规范和铁路规范也是这样。根据国内外数百条地震记录反应谱进行统计分析后，得到了水平反应谱曲线25。 根据该斜拉桥所处的场地，选用如表2.4所示的反应谱。表2.4 反应谱的选用场地地震近震ABCD远震BCDE表2.5 反应谱曲线各参数反应谱ABCDEm0.950.60.8地震烈度7级8级9级0.090.180.36 场地分为稳定岩层（类）、一般土壤（类）、松软土壤（类）和异常松软土壤（类）。 时程分析法主要是将实际地震的加速度时程记录输入结构计算模型，直接分析结构的地震反应的一种方法。此法可直接获得地震过程中结构点各时刻

11、的位移，速度和加速度，从而计算各时刻竖向地震作用和构件的地震内力。在利用ANSYS模拟地震的时候，我们可以将地震转化为惯性加速度施加在高层建筑上。中国的新地震烈度表（1980）规定，烈度为、,时，相对应的峰值加速度平均值分别为0.125g、0.25g、0.5g、1.0g。取震动频率为5hz26。为方便研究，假设作用在建筑上的地震波呈三角函数，所以作用在建筑物上的惯性加速度分别为： (2-3) 2.3 斜拉桥设计的基本原理简介 斜拉桥又称斜张桥，是将主梁用许多拉索直接拉在桥塔上的一种桥梁，是由承压的塔、受拉的索和承弯的梁体组合起来的一种结构体系。其可看作是拉索代替支墩的多跨弹性支承连续梁。 主梁

12、直接承受车辆荷载，是斜拉桥主要称重构件之一。由于受拉索的支撑作用，其受力性能不仅取决于自身的结构体系，同时与塔的刚度，梁塔连接方式、索的刚度和索形等密切相关，所以主梁的设计必须综合考虑梁、塔、索三者之间的关系27。 与其他体系桥梁相比，由于拉索的支撑，斜拉桥主梁具有跨越能力大、梁的建筑高度小和能够借助拉索的预应力对主梁内力进行调整等特点。斜拉索是斜拉桥的重要组成部分，并显示了斜拉桥的特点。斜拉桥桥跨结构的重量和桥上荷载，绝大部分或全部通过斜拉索传递到塔柱上。 拉索的布置是斜拉桥设计中的重要内容。它不仅影响桥梁的结构性能，而且影响到施工方法和经济性。索塔结构除考虑本身的自重引起轴力外，控制设计的

13、外力往往是由水平荷载（风或地震力）所引起的弯矩，还必须考虑通过斜拉索传递给塔身的主梁及桥面系的重量，以及桥面系所承受的竖向荷载（活载）和水平荷载28。因而从总体受力上来说，斜拉桥的主塔结构不仅要承受巨大的轴力，还要承受很大的弯矩。本文所研究的桥梁为独塔斜拉桥，由于它的主孔跨径一般比双塔三跨式的主孔跨径小，适用于跨越中小河流和城市通道。 图2.2 斜拉桥缩略图图2.3 独塔斜拉桥简图其中边跨和主跨之比：一般宜为0.5-1.00,一般去0.66左右。斜拉索索距4-12m，塔高/主跨=0.30-0.45，边索角度为宜29。山东科技大学学士学位论文 工程概况及建模 3 工程概况及其建模3.1 工程概况

14、 某桥为（75+55）m两跨单斜塔双索面预应力混凝土斜拉桥，桥长130m，主跨为75m，背跨为55m，采用墩塔梁固结的结构体系。主梁截面采用双实心边主梁大悬臂截面（形梁），主梁中心高1.90m，顶板宽38.0m，悬臂长4.5m，主跨侧实心梁宽3.0m，背跨侧实心梁宽4.0m，实心梁间顶板宽0.28m。背跨部分梁段由于配重的需要而增设底板形成箱形截面。主梁采用双向预应力体系。主塔为钢筋混凝土结构的斜塔，塔中心线与水平面夹角为75，桥面以上垂直高度为50.7m。主塔采用变截面实心矩形，顺桥向截面高度从3m（塔顶部）变化到8m（桥上塔根部）；横桥向宽度为2.5m。可参看图2-1斜拉桥组成构件较多，下

15、面就斜拉桥主要构件的相关参数进行简要的说明。材料性能主梁、索塔：E=3.5e10，=2600，=0.17刚性鱼刺横梁：E=3.5e13，=2400，=0.2斜拉索：E=1.9e10，=1200，=0.25截面特性主要通过建立辅助单元做出斜拉桥各个截面的特征。边界条件左桥端仅给予竖向的平移自由度约束，右桥端仅给予横向的平移自由度约束，索塔底部完全约束，索单元和梁单元给予铰约束。 3.2 ANSYS简介 ANSYS软件是美国ANSYS公司研制的大型通用有限元分析（FEA）软件，是世界范围内增长最快的计算机辅助工程（CAE）软件，能与多数计算机辅助设计（CAD, computer aided des

16、ign）软件接口，实现数据的共享和交换，如Creo，NASTRAN,Alogor，I-DEAS,AutoCAD等。是融结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。在核工业、铁路、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医药、轻工、地矿、水利、日用家电等领域有着广泛的应用。ANSYS功能强大，操作简单方便，现在已成为国际最流行的有限元分析软件，在历年的FEA评比中都名列第一。目前，中国100多所理工院校采用ANSYS软件进行有限元分析或者作为标准教学软件。 ANSYS日前宣布推出业界领先的工程设计仿真软件最新版ANSYS 16.0，其

17、独特的新功能，为指导和优化产品设计带来了最优的方法和提供了更加综合全面的解决方案。工程仿真软件ANSYS 16.0在结构，流体，电磁，多物理场耦合仿真、嵌入式仿真技术各方面都有重要的进展30。 能实现电子设备的互联 电子设备连接功能的普及化、物联网发展趋势的全面化，需要对硬件和软件的可靠性提出更高的标准。最新发布的ANSYS 16.0，提供了众多验证电子设备可靠性和性能的功能，贯穿了产品设计的整个流程，并覆盖电子行业全部供应链。在ANSYS 16.0中，全新推出了“ANSYS电子设计桌面”（ANSYS Electronics Desktop）。在单个窗口高度集成化的界面中，电磁场、电路和系统分

18、析构成了无缝的工作环境，从而确保在所有应用领域中，实现仿真的最高的生产率和最佳实践。ANSYS 16.0 中另一个重要的新功能是可以建立三维组件（3D Component）并将它们集成到更大的装配体中。使用该功能，可以很容易地构建一个无线通信系统，这对日益复杂的系统设计尤其有效。建立可以直接仿真的三维组件，并将它们存储在库文件中，这样就能够很简便地在更大的系统设计中添加这些组件，而无需再进行任何激励、边界条件和材料属性的设置，因为所有的内部细节已经包含在三维组件的原始设计之内。 仿真各种类型的结构材料 减轻重量并同时提升结构性能和设计美感，这是每位结构工程师都会面临的挑战。薄型材料和新型材料是

19、结构设计中经常选用的，它们也会为仿真引入一些难题。金属薄板可在提供所需性能的同时最大限度地减少材料和重量，是几乎每个行业都会采用的“传统”材料，采用ANSYS 16.0 ，工程师能够加快薄型材料的建模速度，迅速定义一个完整装配体中各部件的连接方式。ANSYS 16.0 中提供了高效率的复合材料设计功能，以及实用的工具，便于更好地理解仿真结果。 简化复杂流体动力学工程问题 产品变得越来越复杂，同时产品性能和可靠性要求也在不断提高，这些都促使工程师研究更为复杂的设计和物理现象。ANSYS 16.0不仅可简化复杂几何结构的前处理工作流，同时还能提速多达40%。工程师面临多目标优化设计时，ANSYS

20、16.0通过利用伴随优化技术和可实现高效率多目标设计优化，实现智能设计优化。新版ANSYS 16.0除了能简化复杂的设计和优化工作，还能简化复杂物理现象的仿真。对于船舶与海洋工程应用，工程师利用新版本可以仿真复杂的海洋波浪模式。旋转机械设计工程师（压缩机、水力旋转机械、蒸汽轮机、泵等）可使用傅里叶变换方法，高效率地获得固定和旋转机械组件之间的相互作用结果。 基于模型的系统和嵌入式软件开发 基于系统和嵌入式软件的创新在每个工业领域都有非常显著的增长。各大公司在该发展趋势下面临着众多挑战，尤其是如何设计研发这些复杂的系统。ANSYS 16.0面向系统研发人员及其相应的嵌入式软件开发者提供了多项新功

21、能。针对系统工程师，ANSYS 16.0具备扩展建模功能，他们可以定义系统与其子系统之间复杂的操作模式。随着系统变得越来越复杂，它们的操作需要更全面的定义。系统和软件工程师可以在他们的合作项目中可以进行更好的合作，减少研发时间和工作量。ANSYS 16.0增加了行为图建模方式应对此需求。在航空领域，ANSYS 16.0针对DO-330的要求提供了基于模型的仿真方法，这些工具经过DO-178C验证，有最高安全要求等级。这是首个面向全新认证要求的工具。ANSYS软件的结构分析功能主要有： (1)静力分析：用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性,

22、应力刚化,大变形,大应变,超弹性,接触面和蠕变等。 (2)模态分析：用于计算结构的固有频率和模态。 (3)谐响应分析：用于确定结构在随时间正弦变化的载荷作用下的响应。 (4)瞬态动力分析：用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应,并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质。 (5)征值屈曲分析：用于计算屈曲载荷和确定屈曲模态。可进行线性特征值和非线性屈曲分析。 (6)谱分析：是模态分析的应用拓广,用于计算由于响应谱或输入随机振动引起的应力和应变。 (7)专项分析：用于断裂分析,复合材料分析,疲劳分析。它们可以用于模拟非常大的变形,惯性力占支配地位,并考虑所有的非线性行为。它的显式方程

23、求解冲击、碰撞、快速成型等问题,是目前求解这类问题最有效的方法。另外还可进行热分析、电磁分析、流体分析和藕合场分析,可以模拟各种实际的工程问题。尤其是藕合场分析的功能,它考虑两个或多个物理场之间的相互作用。如果两个物理场之间相互影响,单独求解一个物理场是不可能得到正确结果的,因此需要一个能够将两个物理场组合到一起求解的分析软件。 ANSYS构架分为两层,一是起始层(Begin Level),二是处理层(Processor Level)。这两个层的关系主要是使用命令输入时,要通过起始层进入不同的处理器。处理器可视为解决问题步骤中的组合命令,它解决问题的基本流程叙述如下3132。1.前置处理（PR

24、EP7） (1)建立有限元模型所需输入的资料,如节点、坐标资料、元素内节点排列次序。 (2)材料属性 (3)元素切割的产生2.求解处理(SOLU)(1)负载条件(2)边界条件及求解3.后置处理(POST1/POST26) POST1用于静态结构分析、屈曲分析及模态分析,将解题部分所得的解答如变位、应力、反力等资料,通过图形接口以各种不同表示方式把等位移图、等应力图等显示出来。仅用于动态结构分析,用于与时间相关的时域处理。3.3 斜拉桥模型的建立 对于斜拉桥，用实体建模较为复杂，划分网格以后模型文件将会很大；而用直接建模方法。由于本桥为斜塔，所以主跨与背跨不是对称的。桥梁主梁用带钢臂的空间梁单元

25、简化为鱼骨刺形，桥塔采用空间梁单元进行离散；拉索则离散成空间杆单元。对于边墩和辅助墩，为了简化起见，用约束代替，不再考虑。根据以上理论和相关参数，空间梁单元采用beam4单元，空间杆单元采用link10单元，利用ANSYS软件建立该桥梁的有限元模型如图3.1和3.2所示：图3.1 斜拉桥模型 图3.2 施加边界条件后的模型山东科技大学学士学位论文 斜拉桥的有限元载荷模拟 4 斜拉桥的有限元载荷模拟 桥梁总是受到各种各样的荷载，这些荷载错综复杂为了简化，桥梁模型建立之后，进行的是各种载荷的模拟与分析。首先进行的是静力分析，然后是相关的动力分析。4.1 斜拉桥的静力分析和模态分析4.1.1斜拉桥的

26、静力分析 ANSYS静力分析一用于求解静力载荷作用下结构的位移和应力等。静力分析包括线性和非线性分析。而非线性分析涉及塑性,应力刚化,大变形,大应变,超弹性,接触面和蠕变等。 该桥梁所受的静力主要是自身的重力，可按照ANSYS载荷施加的命令，在Z方向施加竖直向上的惯性力，大小为9.81如图4.1。图4.1 施加惯性力后的模型求解后观察桥梁的变形和桥面的起伏情况，如图4.2、4.3所示。 图4.2 静力作用下桥梁变形云图 图4.3 静力作用下Z方向变形云图 从图4.2中可以清楚的看到桥梁的变形情况，桥梁变形的最大值出现在主跨的中央区域为0.05541m，这个变形与桥梁自身尺寸相比是很小的，因此该

27、桥梁满足设计要求，达到成桥状态要求。 Z方向就是与桥面垂直的方向，所以图4.2即为桥面起伏状况的云图，与桥梁变形图相类似，桥梁的主跨部分的中央区域变形最大，从云图中可以知道最大值为0.055512m，这个变形很小，因此在自重下桥面的起伏对交通不会产生很大的影响，进一步说明了该桥梁满足设计要求。4.1.2斜拉桥的模态分析 模态分析:用于计算结构的固有频率和模态。本文取该桥梁的前十阶模态，并导出该桥梁的固有频率,如图4.3,4.4所示。图4-3 桥梁的前十阶固有频率 桥梁的固有频率是桥梁的一种属性，对研究桥梁振动和防止桥梁振动灾害具有重要的意义。 桥梁的模态分析是其动力分析的基础，对研究桥梁振动具

28、有重要意义，ANSYS中自带modal分析选项，可以自动生成桥梁的模态图像和固有频率。模态分析可以确定设计中的结构或机械部件的振动特征，如固有频率和振型；也可以作为其他更详细的动力分析的基础。ANSYS中的模态分析是线性的，任何非线性如塑性和接触单元均将被忽略。 （a）桥梁的一阶模态 （b）桥梁的二阶模态 （c）桥梁的三阶模态 （d）桥梁的四阶模态 （e）桥梁的五阶模态 （f）桥梁的六阶模态 （g）桥梁的七阶模态 （h）桥梁的八阶模态 （i）桥梁的九阶模态 （j）桥梁的十阶模态图4.4 桥梁的前十阶模态4.2 风载荷作用下斜拉桥的响应4.21桥梁风载荷函数的确定 桥梁在风载作用下的响应是桥梁结

29、构计算的重要组成部分。对于大跨度桥梁来讲，桥梁的风载作用影响尤大。 桥梁是出于大气边界层内的结构物，由于受到地理位置、地形条件、地面粗糙程度、离地面（或水面）高度、温度变化等因素的影响，作用于桥梁上的风荷载是随时间和空间都不断变化的量。在一定时间间隔、即一定的时距下，可以把风速分解成平均风速和围绕平均风速不断变化的脉动风速33。目前，多数国家的气象部门及桥梁风载规范都取10分钟为量测平均风速的时距，它大体反映了风的长周期成分的最小时距，由于它远大于桥梁结构的自振周期，故可视其为静载荷作用于桥梁结构。脉动风速是风的短周期成分，其周期可小至几秒钟，它与结构的自振周期较接近，因此它对桥梁的作用可视为

30、动力的，并引起桥梁的各种风致振动现象。本节内容仅研究脉动风的影响。 由第二章的相关内容结合桥梁处在地的具体地理特征，选用=1.0；=1.9；=1.39；=1.0；=1.38；=36.5；。由公式（2-1）得到：(N) （4-1）考虑到风荷载主要作用部位是桥塔部分，因此在ANSYS模拟风荷载是将风荷载函数主要作用在桥塔部分。桥塔有限元模型中有57个节点，将风荷载平均分配后得到：(N/n) (4-2)脉动风的周期很短仅有几秒，故本文中暂定脉动风周期为5s，并有正弦周期函数表示。修正后的风载荷函数： 4.22 横桥向风荷载作用下桥面变形分析将风荷载函数导入ANSYS，并作用在桥塔的节点上，应用ANS

31、YS瞬态分析求解（瞬态动力分析:用于计算结构在随时间任意变化的载荷作用下的响应,并且可计及上述提到的静力分析中所有的非线性性质）。图4.5 桥梁受力后的模型 为了方便研究桥面起伏的情况，在桥梁中心线上选取若干节点进行研究，以22号，28号，34号，40号，46号，52号和58号为例。计算结束后进入到ANSYS的时域后处理，得到各节点的位移，如下图示。 图4.6 各节点Z方向的位移随时间变化图（1）为方便研究将图4.6展开如下。 （a）22号节点 （b）28号节点 （c）34号节点 （d）40号节点 （e）46号节点 （f）52号节点（g）58号节点图4.6 各节点z方向位移随时间的变化（2）图

32、4.7 各节点x方向位移随时间变化图（1）具体如下图所示。 （a）22号节点 （b）28号节点 （c）34号节点 （d）40号节点 （e）46号节点 （f）52号节点（g）58号节点图4.8 各节点x方向位移随时间变化图（2）图4.9 各节点y方向位移随时间变化图（1） （a）22号节点 （b）28号节点 （c）34号节点 （d）40号节点 （e）46号节点 （f）52号节点（g）58号节点图4.10 各节点y方向位移随时间变化图（2） 从上图中观察可以得出，所选的节点的变形中，Z方向变形最大，X方向次之，Y方向最小，因此我们最应该关心的桥面起伏的变形。从节点次序上来说，随着所选取节点序号的增

33、大，其竖向位移也在缓慢上升，桥面Z方向位移云图如下。从云图4.11中可以清楚看出桥梁Z方向变形最大值出现在主跨的中央部分，为0.05154m，于桥梁实际尺寸相比甚小。故可以认为在当前状况下的风荷载作用下，桥梁不会出现巨大变形，安全性可以保证。图4.11 桥梁风荷载作用下z方向变形云图4.3 地震载荷作用下斜拉桥的响应地震又称地动、地振动，是地壳快速释放能量过程中造成振动，期间会产生地震波的一种自然现象。地球上板块与板块之间相互挤压碰撞，造成板块边沿及板块内部产生错动和破裂，是引起地震的主要原因本文以计算某一烈度等级为的地震为例。由公式（2-3）知惯性加速度两端对时间t积分，可以得到惯性位移 (

34、4-4) 根据桥梁的边界条件施加惯性位移，进行模拟。 图4.12 地震荷载下各节点竖向位移图山东科技大学学士学位论文 斜拉桥的有限元载荷模拟 山东科技大学学士学位论文 斜拉桥的有限元载荷模拟 37 46号节点和157号节点分别是桥梁主跨和背跨的中心节点，位移变形如下图所示。 图4.13 46号节点各方向位移 图4.14 157号节点方向位移 图4.15 地震荷载作用下桥梁变形原图从节点位移图不难看出无论是46号节点还是157号节点Z方向的位移都远比其他两个方向的位移变形要大。从位移云图中可以看到位移最大值出现在主跨端部，大小为0.146103m。因此在进行桥梁设计或地震预防方面应该把桥面上下起

35、伏程度作为重要的参考，确保桥梁安全性。4.4 本章小结本章在前文的基础之上对桥梁进行了一系列的载荷模拟。首先进行的是静力分析即自重分析，随后进行的是模态分析，最后是对风荷载和地震荷载的模拟分析。经过一系列的有限元模拟，得到桥梁在这些荷载作用下的变形响应，由我们所选取的观测点和位移云图，可以清晰的观察出桥梁的变形情况和安全性。就本例来讲桥梁的变形处在安全范围之内，符合变形要求。另外需要关心的是桥梁变形的情况中，桥面起伏需要引起足够的重视。山东科技大学学士学位论文 结论与展望5 结论与展望5.1 主要结论 本文以某独塔斜拉桥为例，通过ANSYS有限元模拟建模，模拟其所受到的一些常见荷载，并对荷载进

36、行简化和假定，通过ANSYS进行了一系列的结构分析，通过本文的研究可以得到以下结论： = 1 * GB2 本文中的独塔斜拉桥在自重作用下变形合理，因此该桥梁满足设计要求，达到成桥状态要求。 = 2 * GB2 从桥梁的变形结果来说，无论是静载荷还是动载荷（风荷载和地震荷载）桥梁的变形情况都是Z方向相比其他两个方向更加突出，因此可以认为，桥面的起伏变形是该桥梁的主要变形。但从本文荷载模拟的变形大小来讲，桥梁的变形处在比较合理的范围之内。 = 3 * GB2 从桥梁的设计和以后的维护上来说，应重点考虑主跨中心区域，该区域在载荷模拟中变形较大。5.2 展望 由于时间仓促，加之作者水平有限，本文的研究

37、虽取得一些结论，但还存在缺点和不足之处，尚有许多工作需要深入研究完善： = 1 * GB2 本文研究对象是独塔斜拉桥，对于其他类型的桥梁如悬索桥或其他斜拉桥没有深入的研究。 = 2 * GB2 风荷载和地震荷载属于随机荷载，虽然由本文模拟的结果来看桥梁处于相对安全的状态，但是从实际效果来说仍然存在风险。 = 3 * GB2 由本文的研究结果来看，桥梁的危险区域在桥梁主跨的中央区域，但是具体的设计和桥梁后期的防治工作有待进一步的研究。山东科技大学学士学位论文 致谢致 谢历时将近两个月的时间终于将这篇论文写完，在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。本论文从立题到论

38、文撰写整个过程都是在指导教师马志涛老师的悉心指导下完成的。特别是指导教师在学习上、思想上都给予我极大的关怀和帮助，在传授我知识的同时，更注重培养我解决问题的思路和方法及创新能力，为我今后学习和工作打下了坚实的基础并开阔了我的视野。指导教师敏捷的思维和孜孜不倦的探索精神是我永远学习的榜样，我所取得的每一点进步无不凝聚着指导老师的心血。还要感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多素材，还在论文的撰写和排版过程中提供热情的帮助。由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正！山东科技大学学士学位论文 参考文献山东科技大学学士学位论文 参考文献41参考文献1JTG

39、/T B02-2008，公路桥梁抗震设计细则S.北京；人民交通出版社，2008.2JTG/T D60-01-2004,公路桥梁抗风设计规范S.北京；人民交通出版社，2004.3范立础.桥梁抗震M.上海；同济大学出版社，19974陈政清，桥梁风工程M,北京；人民交通出版社，2005.5秦文孝, 高速列车-桥梁系统竖向共振影响因素及预防措施研究D,中南大学,2012,56Tingting Ma、Yaojun Ge,uncertainty effects of structural model and turbulent wind loading on bridge buffeting respon

40、seJ.Stockholm,Balkema，2008.7 中华人民共和国交通部. 公路桥梁抗风设计规范J. 武汉理工大学出版社.2004.8李波.地震作用下高速铁路钢管混凝土拱桥的车桥耦合振动研究D.长沙:中南大学,20089 高陈燕, 应用 ANSYS 软件分析连续梁桥的动态响应D.长安大学,2008,23(5):1710王少钦, 风及列车载荷作用下大跨度桥梁振动响应研究D.北京交通大学,2012.611邓子铭.强风作用下大跨度刚构连续梁桥的车一桥耦合振动分析D.长沙:中南大学,200712江堃,基于ANSYS的斜拉桥分析建模中若干问题的讨论D,华中科技学,2005.5.613黄林，列车风与

41、自然风联合作用下的车-桥耦合振动分析M，成都，西南交通大学，2007 14高广军，强侧风作用下列车运行安全性研究M，长沙：中南大学，200815田海良，吴颂平，横风作用下列车在高架桥上运行的气动特性分析，科学技术与工程，2012,12(1)：8184 16张 辉，韩 艳，田仲初. 大跨度斜拉桥静风稳定性及影响参数分析J中外公路，2010，30(3)：114-11717唐志.钢管混凝土梁-拱桥徐变及温度变形对车桥系统动力学影响研究:D,长沙:中南大学,200918 项海帆等著. 现代桥梁抗风理论与实践M. 人民交通出版社, 2005.19胡晓伦.大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析D.上海：同

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44、 surface roughnessJ.J.Geotech Engrg.,ASCE，1977，103：307-325山东科技大学学士学位论文 附录附录翻译英语原文：UNCERTAINTIY EFFECTS OF STRUCTURAL FE MODEL ANDTURBULENT WIND LOADING ON BRIDGE BUFFETING RESPONSETingting Ma, Yaojun GeState Key Laboratory of Disaster Reduction in Civil Engineering, Shanghai, China, ABSTRACT The des

45、ign of long-span bridges requires accurate finite element (FE) models for reliable predictions of their dynamic characteristics and responses to loads, such as wind or earthquakes. There are inevitably deviations in dynamic characteristics resulted from different FE models with different modeling de

46、tails. Firstly, the influence of modeling details on structural dynamic characteristics is investigated, including the beam-column joint modeling in tower, the choice of deck models and structural mass simulation. The optimal FE modeling details are proposed for bridges with different structural sys

47、tems or different girder sections. Then, based on the nature of uncertainties of structural quantities and the characteristic of turbulent wind loading, the sensitivities of buffeting response prediction to structural quantities and wind spectra are both studied through two-dimensional buffeting ana

48、lysis in frequency domain and three-dimensional buffeting analysis in time domain, respectively.Keywords: Structural FE Model; Turbulent wind loading; Structural dynamic characteristics; Parameter uncertainties; Buffeting response predictions.1. Introduction The dynamic design of long-span bridges s

49、ubject to not only static loads but also dynamic loads, such as wind and earthquake loading, is significantly related to the knowledge of the bridges modal properties. Modal analysis is commonly the first important step towards a successful dynamic design. As known, for FE models with different mode

50、ling details, different modal properties may be obtained. Starting from the perspective of wind resistance design, the optimal FE model is required for valid prediction of structural aerodynamic characteristics. However, even for the optimal FE model, the modal analysis results can hardly be the exa

51、ct same as those from field vibration testing, like ambient vibration testing.Factors affecting structural aerodynamic behavior include structural parameters and the characteristic of oncoming turbulent flow. Several attempts have been made to investigate the effects of parameter uncertainties,espec

52、ially the uncertainties in wind characteristics and aeroelastic characteristics, on the prediction of wind-induced responses: e.g. methods based upon reliability analysis theory was developed to assess the random behavior associated with aerodynamic flutter ; the random nature of the definition of w

53、ind was explored by deriving a closed-form solution of the single-mode buffeting problem with selected random parameters and comparison with existing deterministic numerical simulation was discussed ; the buffeting probability assessment for long-span cable-stayed bridges was carried out. Uncertaint

54、ies associated with buffeting analysis can be divided into three categories: structural quantities, the aeroelastic system and turbulence-related aerodynamic parameters . Most published research results focus on the characteristic of wind turbulence or structural aeroelasticity, while the structural

55、 uncertainty is rarely referred to. The combination of the above factors has motivated the current research efforts. Quantitative investigations of influences of modeling details on structural dynamic characteristics are conducted and the optimal FE models are proposed for long span bridges with dif

56、ferent structural systems or different girder sections. Subsequently, based on the nature of uncertainties of structural quantities and the characteristic of turbulent wind loading, the sensitivities of buffeting response prediction to structural quantities (mass, stiffness and damping) and turbulen

57、ce spectra are both studied through two-dimensional (2D) buffeting frequency domain analysis and three-dimensional (3D) buffeting time domain analysis respectively.2. FE Modeling Details Quantitative investigation of influences of modeling details on structural modal properties is an important preli

58、minary work for the subsequent error analyses on the prediction of wind induced vibrations, which are always based on a deterministic method. The influence of several FE modeling details, including (1) the beam-column joint modeling in tower, (2) the choice of deck models and (3) structural mass sim

59、ulation, on structural dynamic properties are investigated. Considering the different research purposes, totally four bridges with different structural systems or different girder sections are taken as FE modeling examples. The details of the bridges and their corresponding application in the presen

60、t paper are shown in Table1. It is observed from Table 2 that little deviations of vertical frequencies exist among different deck models. The lateral frequency of SM is lower than that of SGM and TGM, but is the nearest approximation of the measured results. The characteristic of rigid profile with