基于ANSYS的大跨悬索桥动力特性分析

278理论研究0　引言 1940年，塔科马桥的风毁事故震惊了桥梁工程界。

纵观桥梁发展历史发现，桥梁风毁案列也远不止这一个。

早在1879年，英国的Tay 大桥由于暴风雨的袭击而垮塌，造成了75人死亡的惨剧。

自1918年到1940年，短短二十几年的时间内，就约有11座桥梁因风而发生损坏[1]。

塔科马桥风毁事故后，世界的桥梁工程师们纷纷开始关注桥梁在风作用下的稳定性研究。

悬索桥由于其跨越能力大、柔度大等特点自身特点，使得它的抗风性能研究尤为重要，因此，悬索桥的动力特性分析也成为桥梁抗风设计的关键问题。

桥梁结构的动力特性包括自振频率和振型等，它反映了桥梁结构的刚度和刚度分布的合理性，是桥梁结构振动响应分析、抗风稳定性研究和抗震设计的基础。

1　动力特性分析有限元原理 运用软件进行悬索桥结构动力特性分析的实质是有限元法。

其基本原理是将连续的空间对象离散为若干个规则的单元，这些单元之间通过共同节点相连接，由于单元形状规则，便于建立平衡关系。

单元内部的待求量可以由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。

最后将各单元方程组成方程组，再加上给定的边界条件，便可以求解。

2　动力特性的有限元计算 动力特性的有限元计算以坝陵河大桥为例，该桥为主跨1088米的单跨钢桁加劲梁悬索桥。

跨径布置为：48m+1088m+228m，桥梁全长2237米。

2.1　模型简化 悬索桥加劲梁常用的简化模式有脊梁模式（鱼骨刺模式），∏形模式，双主梁模式，三主梁模式。

这些模式都有各自的优缺点，而脊梁模式的简化方法多被悬索桥梁所采用。

本次分析也采用脊梁模式，它把桥面系的竖向刚度、横向刚度、扭转刚度及平动质量、转动惯量都集中在中间节点上。

2.2　单元的选择 根据各个构件的受力形式不同而采用不同的单元类型。

加劲梁与桥塔采用Beam4单元，Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元，每个节点有六个自由度。

主缆与吊杆因不承受弯矩而采用Link8单元，Link8为三维空间承受单轴拉力-压力，每个节点有X，Y，Z 位移方向的三个自由度。

大跨度悬索桥的动力特性分析研究摘要：悬索桥又称吊桥，是一种古老的桥型，是以通过索塔悬挂并锚固于两岸(或桥两端)的悬索作为上部结构主要承重构件的桥梁类型。

由于其结构比较轻柔对动荷载比较敏感，进行桥梁结构的动力特性分析对桥梁的抗震设计、健康检测和维护具有十分重要的意义。

随着桥梁跨度的增大，加之悬索桥是一种刚度小、变形大的柔性结构，体系的几何非线性突出，基于有限元法对悬索桥的动力特性以及结构刚度对其影响进行研究具有重要的理论意义和工程实际价值。

结构刚度是影响悬索桥动力特性的重要因素，本文就加劲梁刚度、索塔刚度、主缆刚度、吊索刚度等对双塔单跨悬索桥固有频率的影响进行研究。

关键词：大跨度；悬索桥；动力分析1.大跨度悬索桥的动力分析的意义悬索桥的振动特性是悬索桥动荷载行为研究的基础。

桥梁结构的振动包括自振频率和振型等,它反映了桥梁结构的刚度和质量分布的合理性,是桥梁结构振动响应分析、抗震设计和抗风稳定性研究的基础。

桥梁结构的动力特性包括自振频率、振型和阻尼。

悬索桥结构在动力激励作用下,在空间上各向振动的振型和频率都是需要的。

但一般被分为四种类型:竖向、纵向、横向和扭转振型。

然而,实际情况却是一种位移通常会与另外一种位移耦合,特别是竖向位移与纵向位移耦合在一起,横向位移与扭转位移耦合在一起。

甚至有时候,四种位移同时耦合在一起。

耦合情况决定于结构几何和支撑条件等因素。

一阶扭转振动频率与一阶竖向振动频率比值越大,桥梁具有更好的抗风稳定性;桥梁抖振则需要考虑多振型的参与。

因此,动力特性分析是桥梁结构动力性能研究的重要内容之一。

在悬索桥进入大跨径结构的阶段,其加劲梁的刚度不断地相对减少,当加劲梁的高跨比小于1/300时,采用线性挠度理论分析悬索桥所产生的误差将不容忽视,为此有限位移理论开始应用于现代悬索桥的结构分析中,使悬索桥的分析计算更加精确。

基于矩阵位移法的有限元技术能适应解决复杂结构的受力分析,一些有代表性的研究成果逐渐完善和发展了有限位移理论。

基于ANSYS的悬索桥梁的静载和动载的分析基于ANSYS的悬索桥梁的静载和动载的分析摘要运⽤ANSYS软件进⾏悬索桥桥梁的静载和动⼒分析，本⽂中的有悬索桥限元模型结构形式⽐较复杂，桥的每⼀个部分都有不同的属性和作⽤，因此在有模型中，使⽤了三种单元类型对悬索桥的桥塔、纵梁、加劲桁架、缆索、桥⾯板进⾏建模。

它们分别是三维弹性梁单元（BEAM4）、三维杆单元（LINK10）、板壳单元（SHELL63）。

然后再模型的基础上在进⾏了只有重⼒的静载分析和简单的模态分析。

键词：ＡＮＳＹＳ悬索桥静载分析模态分析AbstractBy using ANSYS software of suspension bridge static load and dynamic analysis, this paper, the suspension bridge limit yuan model structure form is more complicated, the bridge every part has a different attribute and function, so the model, the use of three kinds of unit type on the suspension bridge tower, girder, stiffening truss, cable, bridge deck model. They were three dimensional elastic beam element (BEAM4), the three dimensional bar unit (LINK10), plate and shell elements (SHELL63). Then on the basis of the model in the only gravity static load analysis and simple modal analysis.引⾔悬索桥也叫吊桥，是跨越能⼒最⼤的⼀种桥型。

悬索桥结构的动力特性分析与优化设计悬索桥结构的动力特性分析与优化设计摘要：悬索桥作为一种独特的桥梁结构，具有较好的经济性和美观性。

本文主要对悬索桥结构的动力特性进行分析与优化设计，通过使用有限元分析方法，对悬索桥结构的固有频率、振型形状以及振动行为进行模拟和预测。

在此基础上，通过参数化设计，对悬索桥结构进行优化，提高其动态性能，从而为悬索桥的设计与建设提供参考。

关键词：悬索桥；动力特性；有限元分析；优化设计1. 引言悬索桥是一种以悬垂在主塔两侧的主缆为主要受力构件，通过搭设横向桥臂和垂直支撑塔而将主缆与桥面连接起来的桥梁结构。

悬索桥具有结构简单、清晰，且对环境影响小的特点。

然而，由于悬索桥结构具有较大的跨度和柔性特性，其动力特性对桥梁的安全性和舒适性具有重要影响。

2. 悬索桥的动力特性分析2.1 悬索桥结构的固有频率悬索桥结构的固有频率是指结构在自由振动状态下的振动频率。

固有频率的大小决定了悬索桥结构的振动特性。

通常情况下，悬索桥的固有频率较低，需要尽量避免与车辆行驶频率相同，以免发生共振现象。

2.2 悬索桥结构的振型形状悬索桥结构在自由振动时，会产生特定的振型形状。

振型形状描述了结构不同部位在振动过程中的运动方式和振动幅度。

通过对悬索桥结构的振型形状进行分析，可以了解结构的振动模态和振动特性，为结构的设计与优化提供依据。

2.3 悬索桥结构的振动行为悬索桥结构在使用过程中，会受到各种外部荷载的作用，如车辆荷载、风荷载等。

这些外部荷载的作用会引起悬索桥结构的振动。

振动行为的分析可以预测悬索桥结构在不同工况下的振动响应，为结构的安全性和舒适性评估提供依据。

3. 悬索桥结构的优化设计悬索桥结构的优化设计主要包括结构参数的确定和材料的选择。

通过参数化设计的方法，可以对悬索桥结构进行优化，提高其动态性能。

例如，可以通过调整主缆的刚度、加大横向桥臂的刚度和强度等方式，改善悬索桥的动力特性。

在优化设计过程中，需要考虑结构的经济性和安全性。

基于ANSYS的超大跨度斜拉桥的索力模拟
张杨永;周云岗;姜海西
【期刊名称】《沈阳建筑大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2009(025)005
【摘要】目的基于ANSYS平台建立斜拉桥的力学分析模型,实现已知索力的精确模拟,为进一步的分析计算提供依据,也为类似问题的ANSYS二次开发提供思路.方法考虑斜拉索索力之间的相互影响,根据矩阵分析的方法推导循环迭代公式,利用单元初应变或温度荷载模拟索力,并以某主跨1 400 m斜拉桥设计方案为算例,验证方法的可行性.结果采用常规循环迭代法,迭代30次后,索力误差仍有5%左右,而采用矩阵分析法,迭代30次后,索力模拟误差控制在1%以内,有效解决了索力模拟的收敛性问题.结论矩阵分析法是常规循环迭代法的推广,基于该方法的索力模拟方法精度较高,适用于超大跨度斜拉桥的力学建模.
【总页数】5页(P909-913)
【作者】张杨永;周云岗;姜海西
【作者单位】同济大学桥梁工程系,上海200092;同济大学桥梁工程系,上海200092;同济大学桥梁工程系,上海200092
【正文语种】中文
【中图分类】U448.27
【相关文献】
1.基于ANSYS的斜拉桥索力仿真分析 [J], 吕纯洁
2.ANSYS优化设计在确定斜拉桥恒载索力中的应用 [J], 徐金勇
3.ANSYS二次开发及在斜拉桥成桥恒载索力中检算 [J], 王章彪
4.基于ANSYS平台的大跨度斜拉桥非线性成桥初始索力确定 [J], 汪峰;刘沐宇;
5.基于ANSYS平台的大跨度斜拉桥非线性成桥初始索力确定 [J], 汪峰;刘沐宇因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

建材发展导向2014年第22期58上承式悬索桥是一种在上世纪70年代末发展起来的新式桥型，又称上承式悬带桥或反向吊桥。

第一座上承式悬索桥是华裔著名结构大师林同炎先生所设计的克罗拉多大桥。

针对上承式悬索桥的设计已经有一定的研究成果，但是针对此类桥梁的动力响应在国内尚未有系统的研究。

1　模态分析理论对振动模态进行分析就是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数。

模态就是将多自由度结构体系转变为单自由度结构体系的叠合，多自由度结构体系的自振动力微分方程如式1。

[M ]y¨+[C ]y .+[K ]y=0 （1）式中：[M ]—结构质量矩阵；[C ]—结构阻尼矩阵；[K ]—结构刚度矩阵；y ¨—加速度列向量；y .—速度列向量；y—位移列向量。

将上述矩阵方程进一步转化，可以得到计算结构自振频率的矩阵方程式（式2）[K ]φ=ω2[M ]φ　（2）式中：φ表示结构的结构振型向量，φ表示结构的自振频率。

2　计算模型上承式悬索桥的主要是由桥面系，立柱排架，主索与悬带（底板）组成。

本例采用一个以上承式悬带结构为主体，并与斜腿刚构进行结合的10m+80m+10m 的复式桥型，悬带最低点距桥面梁底15m。

上承式悬索桥的桥面梁板类似于悬索桥的加劲梁，直接承担车辆荷载，结构横截面形式设计为T 梁（图1a）；立柱排架类似于悬索桥中的吊杆，可将桥面系承受的荷载传递到悬带上，是受压构件，常设计成门式结构，由立柱和上盖梁及底板组成（图1b）；主索悬带是主要承受竖向荷载，其中主索类似于悬索桥的主缆索，一般是由高强钢丝编织而成的多组平行束布置在立柱底板以下，主索用混凝土包裹以防止锈蚀。

（a）T 梁横截面图 （b）立柱排架横截面图图1　T 梁及立柱排架横截面图运用ansys12.1对上承式悬索桥建立模型，模型采用材料库中的beam3梁体单元对主梁和立柱排架均运用等效容重和等效刚度的原则采用相应矩形截面进行简化。

基于ANSYS特大跨度悬索桥施工及运营阶段的受力分析徐安;何中刚;丁彧
【期刊名称】《森林工程》
【年(卷),期】2006(22)6
【摘要】借助大型有限元分析软件研究特大跨度悬索桥索的找形,根据施工前、施工阶段及运营阶段的受力特性,得到在每一阶段跨中节点的位移,为实际的悬索桥的施工提供了依据,也为大跨度悬索桥的后续受力分析,如移动荷载作用、风荷载作用以及地震力的作用提供了前提和保证.
【总页数】4页(P23-25,68)
【作者】徐安;何中刚;丁彧
【作者单位】天地科技股份有限公司唐山分公司,河北,唐山,063012;湖北人防建筑设计院,武汉,430000;天地科技股份有限公司唐山分公司,河北,唐山,063012
【正文语种】中文
【中图分类】U4
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时,要尽量提高灵敏度大的几个参数的精度,力求准确,这将获得较好的计算结果。

(3)本构模型的这些问题,类似于土压力、土坡稳定性分析、地基承载力等土力学的普遍问题,参数的影响或带来的误差比理论和方法要大得多。

参考文献:[1]陈斌,吉林,张旭晖.邓肯模型参数敏感性分析[J ].华北水利水电学院学报,2002,23(4):10-13.[2]Duncan,J .M.,Chang,C .Y .Nonlinear analysis of stress and strain ins oils [J ].S oilM echanics of Foundati on,1970:637-659.[3]梅传书,徐海峰,严驰.深基坑开挖的有限元模拟与实验研究[J ].水文地质工程地质,2002(5):8-11.[4]高福华.深基坑工程渗流与变形分析[D ].南京:河海大学硕士学位论文,2004.[5]何颐华,杨斌,金宝森等.双排护坡桩试验与计算研究[J ].建筑结构学报,1996,17(2):58-66.[6]蔡袁强,赵永倩,吴世明等.软土地基深基坑中双排桩式围护结构的有限元分析[J ].浙江大学学报,1997,31(4):442-447.收稿日期:2008-04-213江南大学荣氏基金项目。

赵金广,男,硕士研究生。

基于ANSYS 的悬索桥动载响应分析3赵金广　钱　怡　王文英(江南大学机械工程学院　江苏无锡　214122)摘　要　根据大跨度钢箱式悬索桥的特点,运用ANSYS 有限元软件提供的APDL 参数化语言,建立悬索桥的精确有限元模型,进而得到整桥模态,并与“脊骨梁”模型模态和实测模态进行比较;同时对精确模型进行模拟车辆动载荷响应分析。

动载响应分析的结果可为大跨度钢箱式悬索桥的抗震、抗风设计和车辆载荷响应分析提供参考。

关键词　钢箱式悬索桥　ANSYS 有限元　模态分析　响应分析 目前,我国已建成许多以斜拉桥和悬索桥为主的大跨桥梁,对大跨桥梁进行结构安全健康监测,确保安全运营,已成为工程界目前的研究热点[1]。

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大跨连续钢构桥动力特性分析以某大跨度连续刚构桥为工程背景，利用大型通用有限元分析软件ANSYS 建立该桥的空间实体模型，计算分析桥梁的自振频率及相应振型。

结合动力荷载试验以及结构固有模态参数的实桥测试，了解桥跨结构的动力特性以及各控制部位在使用荷载下的动力性能，为大桥以后的运营养护管理提供必要的数据和资料。

标签：连续刚构桥；动力特性；有限元分析；动载试验1 前言大桥主桥为三跨预应力钢筋混凝土连续刚构桥，跨径布置为：62.78m+110m+62.78m=235.56m，大桥全宽24.5m，左右半幅桥面宽度均为11m，中央带间距2.5m。

该桥采用悬臂浇筑法施工，梁体采用单箱单室三向预应力变高度箱型断面。

箱梁根部高6.5m，跨中段梁高 2.5m。

主桥桥墩采用双肢薄壁实体桥墩，主桥上部结构箱梁混凝土采用C50，主桥墩身采用C40混凝土，承台及桩基、引桥桥墩及桥台混凝土采用C30。

2 有限元分析采用大型通用有限元分析软件ANSYS建立空间实体模型，经分析大桥的前3阶频率如表1所示，模态如图1所示。

3 动载试验通过动力荷载试验以及结构固有模态参数的实桥测试，了解桥跨结构的动力特性以及各控制部位在使用荷载下的动力性能（振幅、速度、加速度及冲击系数等），除了可用来分析结构在动荷载作用下的受力状态外，还可验证或修改理论计算值，并作为结构设计的依据，为大桥以后的运营养护管理提供必要的数据和资料。

3.1 脉动试验-自振频率测试脉动试验通过采用高灵敏度的拾振器和放大器测量结构在环境激励下的振动，然后进行谱分析，求出结构自振特性。

通过对拾振器拾取的响应信号进行谱分析，可确定桥梁的自振频率分和振型。

将传感器置于测点上，由其拾取桥梁结构在大地脉动作用下的振动响应，采样时间30分钟，采样频率为100Hz。

从上表可以看出，纵向漂移振型的第一阶频率为0.781Hz，比计算值0.2234Hz 相比大了许多，这其中主要的原因是计算模型对大桥两端边界条件模拟的误差，计算模型中按理想状态考虑主梁两端均为纵向滑动支座，不提供任何纵向约束刚度。

顺昌人行悬索桥ANSYS有限元模拟课程名称：《索结构》姓名：***（N022005156）桥隧工程李秀芳（N012005131）结构工程指导老师：彭大文（教授）陈昀明报告日期：2003年2月28日福州大学土木建筑工程学院2003年2月28日一、顺昌人行悬索桥简介设计人行荷载2.5kN/m.主索跨度348米，失高20米，桥面净宽2.5米。

主索采用7根φ42（7⨯19）共14根。

桥面系吊索用19的钢丝绳。

桥面系长度268米。

桥面两端标高为1.00米，跨中标高为4.00米，呈抛物线型。

二、有限单元模型2．1基本假定由于悬索桥的受力传力体系的复杂性，顺昌人行悬索桥桥面系统的构件多样，空间位置的复杂性，对其有限元模型作了一些合理的假定，并最大程度地保证简化后的有限元模型质量，刚度的不变性：（1）结构部分归类为横向工字梁，纵向工字梁，纵向槽钢、斜向支撑，主塔竖向构件，主塔横向构件，主索，竖向吊杆，桥面板。

（2）主塔竖向构件在全部高度，主塔横向构件在全部长度上只有一个截面属性，忽略倒角的影响；主塔竖向构件底端直接固接。

（3）主索与桥塔横向构件的连接采用自由度耦合来模拟。

（4）桥面的横、纵、斜向的梁及桥面板处于同一平面内，而其相应的面外刚度的计算以此为基准。

（5）由于本模型没有用来计算横向风载的影响，所以缆风绳没有2．2单元类型在有限元模型中，使用了三种单元类型对悬索桥的桥塔、桥面系、缆索进行了模拟。

他们分别是三维弹性梁单元（BEAM4），三维杆单元（LINK10），板壳单元（SHELL10），各个单元的类型简述如下：（1）B eam4可承受拉力、压力、扭矩、弯矩.每个节点有6个方向的自由度.可以考虑应力刚化,大变形等特性。

（见图1）图1 Beam4示意图（2）Link10Link10单元在每个节点上有三个自由度：沿节点坐标系x、y、z方向的平动。

适用于模拟3-D空间桁架,杆件,弹簧等结构.使用只拉选项时,如果单元受拉,刚度九消失,以此来模拟缆绳的松弛或链条的松弛.可只承受轴向拉力或只承受轴向压力,无法承受弯矩.元素具有塑性,徐变,膨胀,应力强化,大变形和大应变等特性。

悬索桥的受力分析一、选题在前面的presentation部分，我与张玉青同学合作完成了上海东海大桥的建模，在此次的实例分析中，我参考了《ANSYS土木工程实例应用》中的悬索桥部分，并在建模的基础上对其进行受力分析和施工过程中跨中挠度变化情况的分析。

二、实例1.问题的描述●材料性能悬索和吊杆：E=2.5e11,μ=0.1,ρɡ=1e4梁：E=3.0e11,μ=0.1,ρɡ=1e4●截面尺寸悬索：A=1吊杆：A=0.02梁：A=0.5，H=1，I=1/24●几何参数：桥长400m，双索塔，自桥面算起塔高20m。

全桥模型成对称分布。

两塔之间跨度为200m，左右塔距岸边各100m。

悬索间距为10m。

●初始条件：悬索和吊杆初应变为ε=1e-5。

●边界条件：悬索两端铰支，大梁布置成简支结构。

以上都统一采用国际单位制。

2.悬索桥结构的建模把悬索体系的主要承重结构模拟为由铰链环组成的在节点上加荷载的悬挂索链。

这种模型不但能很好地表现实际节点索链的性质，还能表现由金属丝。

股或索组成的缆的性质，由于它不具有抗弯的能力，所以用LINK180单元模拟是非常好的，计算的精度和索长度的选取有很大的关系，同时要考虑索的应力变化问题。

当给索缆装配加劲梁时，由于加劲梁还只是外荷载，不参与结构受力，所以可以将缆索结构当成是受集中荷载的体系。

荷载按照实际的情况阶段施加。

当桥建成之后，可以将缆索和加劲梁当做一个整体来分析，在条件允许的情况下可以一次性施加活载在桥上来模拟其受力分析。

三、建模过程及分析过程1.设置单元及材料参数➢定义单元类型➢定义材料属性➢实常数➢定义截面2.建模➢生成区段模型主缆单元类型为1号，材料类型为1，截面实常数R1；悬索单元类型为1号，实常数为2，桥面主梁单元类型为2号，材料类型为2号，截面实常数为1。

➢定义局部坐标在X=100处生成局部坐标系，新的坐标系代号必须大于10，再将局部坐标系设为当前坐标系，以当前坐标系的YZ面为对称面，镜像生成另一区段模型。