■ 陳立超，張書豪，從述玲，李冰，劉瑞萍，孔雪

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鋼材作為常規(guī)土木工程建設(shè)中常用的材料，因其具有諸多的優(yōu)良性能得到世界各方面的廣泛認(rèn)可，但是鋼結(jié)構(gòu)建筑面臨著銹蝕導(dǎo)致的耐久問(wèn)題，在處于工業(yè)環(huán)境較惡劣的地區(qū)將受到嚴(yán)峻考驗(yàn)。并且鋼結(jié)構(gòu)建筑構(gòu)件質(zhì)量較大，給運(yùn)輸帶來(lái)諸多不便。與鋼結(jié)構(gòu)橋梁相比，使用鋁擠壓型材拼裝生產(chǎn)的鋁合金橋梁不但能夠達(dá)到常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)橋梁的使用性能，還能因鋁材特有的耐蝕性能可以大幅減小環(huán)境給整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)的損傷，同時(shí)鋁合金質(zhì)量較輕，是鋼的三分之一，便于運(yùn)輸。鋁材還具有良好的易加工性能。正是這些特點(diǎn)使鋁合金成為一種新型的橋梁建筑材料。

有文獻(xiàn)記載，利用CFD模擬軟件fluent對(duì)不同流線橋梁風(fēng)動(dòng)環(huán)境進(jìn)行模擬，得出結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，阻力系數(shù)誤差小于4%，升力矩小于6%，升力系數(shù)小于3%。利用仿真模擬軟件Abaqus對(duì)荊沙長(zhǎng)江斜拉橋進(jìn)行了全方位的模擬分析，得到了非常精確的模擬分析結(jié)果。本文采用模擬仿真的手段對(duì)全鋁廊橋進(jìn)行了綜合載荷下的力學(xué)性能分析機(jī)模態(tài)與穩(wěn)定性的分析，得到了橋梁受載情況下的撓度、應(yīng)力分布、自振頻率及失穩(wěn)載荷，為鋁合金橋梁的設(shè)計(jì)提供了參考。

1. 橋梁基本參數(shù)

圖1為本模擬中鋁合金廊橋整體結(jié)構(gòu)示意，廊橋整體為鋁擠壓型材螺接，呈桁架結(jié)構(gòu)。

圖1 廊橋結(jié)構(gòu)示意

表1 廊橋模擬參數(shù)

2. 有限元模型建立

（1）材料屬性及使用需求

由于廊橋在使用過(guò)程中許用工況為材料到達(dá)屈服強(qiáng)度以前的線性階段，所以在進(jìn)行材料屬性采集時(shí)僅需輸入材料的彈性模量與泊松比即可，而材料彈性模量與泊松比僅與材料本身成分有關(guān)，具體材料屬性如表2所示。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)材料屬性

（2）工況說(shuō)明 廊橋結(jié)構(gòu)靜力學(xué)工況施加、荷載施加及約束如圖2所示，橋梁內(nèi)部地板為主要承載面，圖中約束位置為墻體混凝土，由于墻體部分為實(shí)體網(wǎng)格繪制，故僅需約束UX、UY、UZ方向自由度，橋梁其他位置為殼單元組成。

在橋梁使用過(guò)程中，需要考量的重要載荷及標(biāo)準(zhǔn)要求如表3所示。在本橋梁設(shè)計(jì)中，參考國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)CJJ 69－1995《城市人行與人行地道技術(shù)規(guī)范》。

3. 模擬結(jié)果分析

由于橋梁在正常使用過(guò)程中，會(huì)承受多方面施加的載荷，本文簡(jiǎn)化為3種載荷，分別為人群載荷、雪載荷、風(fēng)載荷，模擬過(guò)程中依次疊加施加。圖3a為施加人群載荷后廊橋撓度，撓度最大值存在于廊橋踏板處7.11mm，廊橋縱梁中部撓度為1.229mm，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)12.5mm要求范圍內(nèi)。

圖2 載荷與約束

從圖3b中可以看出，廊橋整體應(yīng)力主要分布在地板及支撐位置，應(yīng)力最高值位于地板固定螺接處，為141.64MPa，廊橋整體應(yīng)力水平小于材料屈服強(qiáng)度。

圖4a為施加人群、雪載荷后廊橋撓度，撓度最大值存在于廊橋踏板處7.22mm，廊橋縱梁中部撓度為1.344mm，在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)12.5mm要求范圍內(nèi)。

從圖4b中可以看出，廊橋整體應(yīng)力主要分布在地板及支撐位置，應(yīng)力最高值位于地板固定螺接處，為141.78MPa，廊橋整體應(yīng)力水平小于材料屈服強(qiáng)度。

圖5a為施加人群、風(fēng)、雪載荷后廊橋撓度，撓度最大值存在于廊橋頂部中間位置14.74mm，廊橋縱梁中部撓度為1.76mm，地板最大撓度7.19mm，垂直撓度在國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)12.5mm要求范圍內(nèi)。

圖3 人群載荷撓度與應(yīng)力分布

表3 橋梁載荷分類

從圖5b中可以看出，廊橋整體應(yīng)力主要分布在廊橋橫縱梁連接螺接位置，應(yīng)力最高值位于地板固定螺接處，最大值為211.92MPa，廊橋整體應(yīng)力水平小于材料屈服。

在廊橋的正常使用中，考慮到廊橋結(jié)構(gòu)的固有頻率即自振頻率的大小對(duì)結(jié)構(gòu)在受激時(shí)是否會(huì)發(fā)生共振起著主導(dǎo)型的作用，對(duì)橋梁的固有頻率進(jìn)行了模擬計(jì)算。圖6為一階模態(tài)下變形程度與固有頻率。

圖5 風(fēng)載荷撓度與應(yīng)力分布

通過(guò)模擬結(jié)果可知，廊橋整體的縱向方向自振頻率最低為4.26Hz，滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖7為廊橋屈曲模態(tài)分析，主要考量廊橋的穩(wěn)定性。從模擬分析結(jié)果得出，廊橋的整體結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定。三階特征值分別為13.93、14.08、14.87，從特征值來(lái)看，廊橋整體對(duì)缺陷較敏感。

圖6 一階模態(tài)撓度與應(yīng)力分布（頻率：4.26Hz）

從圖7還可以看出，廊橋發(fā)生失穩(wěn)的位置在廊橋兩側(cè)豎梁位置。結(jié)合特征值計(jì)算，失穩(wěn)載荷為1.18×103kN，遠(yuǎn)大于廊橋?qū)嶋H載荷。

4. 結(jié)語(yǔ)

（1）廊橋在承受人群載荷、風(fēng)載、雪載荷均達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，地板與主梁垂直最大撓度分別為7.19mm、1.76mm。

圖7 屈曲示意

（2）廊橋自振頻率為4.26Hz，達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。廊橋失穩(wěn)載荷為1.18×103kN，遠(yuǎn)大于廊橋?qū)嶋H載荷。

（3）從模擬結(jié)果來(lái)看鋁擠壓型材拼裝的全鋁廊橋完全能夠達(dá)到使用要求，可替代鋼結(jié)構(gòu)。