程子健，杜曉燕

（蘇州市慧杰工程設(shè)計(jì)有限公司，江蘇蘇州 215011）

0 前言

鋁合金材料以其較高的彈性模量和良好的防腐性能在土木行業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。1933年，美國第一次將鋁合金應(yīng)用在橋梁中。目前在歐美等發(fā)達(dá)國家鋁合金橋梁已經(jīng)發(fā)展得比較成熟，但是國內(nèi)的鋁合金橋梁研究還處于起步階段，2006年建成的杭州市慶春路鋁合金人行天橋是目前中國第一座全鋁合金橋梁。

鋁合金材料與鋼材有著較大的材料特性差異：首先是其材料的密度，鋁合金因密度小而自重??；其次是材料的彈性模量與鋼相比較小(雖然其極限強(qiáng)度和Q235相當(dāng))。因此，鋁合金橋在施工使用過程中存在諸多問題。例如，杭州市慶春路人行天橋是國內(nèi)第一座鋁合金橋梁，存在問題如下：在滿人荷載作用下?lián)隙冗^大，自振頻率和荷載作用下的頻率相比變化較大。本文主要針對(duì)上述方面進(jìn)行研究，分析出現(xiàn)這些現(xiàn)象的本質(zhì)原因，以及提出解決問題的方案。本文依據(jù)杭州復(fù)興路人行天橋建立模型，利用ANSYS有限元軟件輔助分析計(jì)算，以期能為將來我國設(shè)計(jì)建設(shè)更多的鋁合金橋作參考和借鑒。

1 橋梁概況

杭州市復(fù)興路人行天橋?yàn)槿玟X合金梁，跨徑布置為26.64 m+19 m+15.4 m，橋梁平面布置見圖1。

橋面寬度4.8 m，其中通行橋面寬4.5 m（見圖2）。天橋橋跨采用中承式鋁制主桁結(jié)構(gòu)，橋面離主桁上弦桿1.265 m。主桁之間采用橫向桁架連接，橫向桁架上弦為橋面板的支承結(jié)構(gòu)，橋面與上弦之間采用焊接互相連接。橋面為雙層鋁合金板結(jié)構(gòu)，在上下板之間用鋁制豎向以及斜腹板聯(lián)系。圖3為橋面板結(jié)構(gòu)圖。

計(jì)算分析的范圍主要為上部結(jié)構(gòu),本次僅針對(duì)最大跨徑26.64 m簡支梁進(jìn)行分析，其余同理。通過詳細(xì)的計(jì)算分析，驗(yàn)算結(jié)構(gòu)的撓度、自振頻率。

（1）撓度驗(yàn)算：人群荷載作用下最大撓度不大于跨度的1/400。

（2）振動(dòng)特性：計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振頻率，保證橋梁在1 kN/m2活載下豎向振動(dòng)頻率大于3.0 Hz。

2 計(jì)算模型

采用通用程序ANSYS對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行彈塑性極限強(qiáng)度的驗(yàn)算，計(jì)算采用beam188單元模擬各上、下弦桿及豎斜腹桿，上下弦及斜豎腹桿按全截面取值，橋面采用等厚橋面板。26.64 m簡支梁計(jì)算采用的有限元模型如圖4所示。根據(jù)相關(guān)資料，極限承載力分析中采用了圖5所示的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系。

3 分析計(jì)算

3.1 結(jié)構(gòu)自振頻率驗(yàn)算結(jié)果

自振頻率按是否考慮人群荷載分兩種情況：（1）恒載下的振動(dòng)頻率；

（2）恒載+1.0 kN/m2的人群荷載(橋面寬度按4.8 m計(jì)算)。

計(jì)算結(jié)果顯示，在恒載下豎向振動(dòng)自振頻率為3.91 Hz，在恒載+1.0 kN/m2的人群荷載下自振頻率為3.88 Hz。結(jié)果如表1所示，兩種情形的振型圖分別參見圖6、圖7。結(jié)果表明，兩種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率均超過了3.0 Hz，結(jié)構(gòu)的自振頻率能滿足規(guī)范要求。

3.2 結(jié)構(gòu)剛度驗(yàn)算

圖1 杭州復(fù)興路人行天橋橋型平面布置圖

圖2 主橋橫斷面圖（單位：cm）

圖3 橋面板結(jié)構(gòu)圖

圖4 彈塑性極限強(qiáng)度的有限元模型

圖5 鋁材的應(yīng)力應(yīng)變本構(gòu)關(guān)系

表1 自振頻率結(jié)果

在活載5 kN/m2作用下，跨中最大撓度為49.50 mm，桁架下弦的撓度為46.29 mm，為跨度的1/434和1/470，滿足要求?；钶d作用下的結(jié)構(gòu)變形見圖8所示。

4 結(jié)論

根據(jù)以上計(jì)算分析：

（1）鋁合金人行天橋的震動(dòng)頻率變化幅度較鋼材略大，但是人行荷載作用下可滿足安全要求；

圖6 恒載作用下的結(jié)構(gòu)振型圖

圖7 恒載+1.0 kN/m2活載作用下的結(jié)構(gòu)振型圖

圖8 26.64 m簡支梁滿載作用下的結(jié)構(gòu)變形圖(單位：mm)

（2）鋁合金材料的彈性模量小，撓度大，但是在跨徑不大的情況下，由于鋁合金材料自重小，撓度反而在安全范圍內(nèi)，可滿足使用要求。

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