基于ANSYS独塔斜拉桥不同荷载响应分析.doc

1、摘 要桥梁作为交通工程中的生命线工程,随着全球地震活动的频繁和气候环境的恶化,大量的桥梁同时面临着地震和风双重荷载的考验,具备足够的能力抵御地震作用和风荷载是进行桥梁设计时不可忽略的环节。风荷载与地震荷载是桥梁特别是大跨度的斜拉桥所承受的重要荷载。风荷载是桥梁所面临的最常见的荷载，大跨度斜拉桥由于柔度很大，在风的动力作用下，会产生较大的变形和振动，对桥梁结构的安全、桥上车辆的运行安全以及旅客的乘坐舒适度产生很大的影响。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，而却经常引发次生灾害，从而加剧地震灾害的严重性。为了减轻地

2、震所造成的损失，既要对桥梁做好抗震的加固工作，又要在桥梁设计上采取措施以满足抗震的要求。本文以某斜拉桥为例，通过ANSYS软件建立桥梁模型。首先对桥梁进行静力分析，在进行动力分析，其中包括模态分析，瞬态分析（风荷载）以及谱分析（地震荷载），分析每一种荷载所产生的响应，确保桥梁的安全与稳定。关键词：斜拉桥；ANSYS；风荷载；地震荷载 ABSTRACTOn the background of the increasing of strong earthquake and wind hazard, more and more bridges are faced with both tribulat

3、ions of wind and earthquake. It is very important that the bridge as one of the most important traffic engineering should be able to resist the earthquake and wind.The wind load and the bridge load are the important loads of the bridge, especially the large span cable stayed bridge. Wind load is one

4、 of the bridge are the most common load, due to the flexibility, under the dynamic action of wind, will produce deformation and vibration of large span cable-stayed bridges, of vehicles on the bridge structure safety, the bridge safe operation and passenger ride comfort greatly influence the sound.

5、For the bridge, the damage caused by the earthquake, whether from the quantity or extent, is much more than other natural disasters. Serious bridge disasters not only directly affect the traffic, but often cause secondary disasters, thus increasing the severity of earthquake disasters. In order to r

6、educe the loss caused by the earthquake, it is not only to do a good job of strengthening the bridge seismic work, but also in the design of the bridge to take measures to meet the requirements of the earthquake. In this paper, taking a cable-stayed bridge as an example, the model of the bridge is e

7、stablished by ANSYS software. First on the bridge, static analysis, dynamic analysis, including modal analysis, transient analysis (wind load) and spectrum analysis (earthquake) and analysis each kind of load response, to ensure the security and stability of the bridge.Keyword: Cable- stayed bridge;

8、 ANSYS; wind load; seismic load;目录1 绪论11.1 研究的目的与意义11.2 国内外的研究现状31.3 本文的研究内容72桥梁风荷载与地震荷载的简介82.1 桥梁风荷载简介82.2 桥梁地震荷载简介122.3 斜拉桥设计的基本原理简介153 工程概况及其建模183.1 工程概况183.2 ANSYS简介193.3 斜拉桥模型的建立234 斜拉桥的有限元载荷模拟244.1 斜拉桥的静力分析和模态分析244.2 风载荷作用下斜拉桥的响应284.3 地震载荷作用下斜拉桥的响应344.4 本章小结365 结论与展望375.1 主要结论375.2 展望37致 谢38参考

9、文献39附录41翻译411 绪论 1.1 研究的目的与意义 地震和风是客观存在的自然现象,人类建造和使用的桥梁应满足在其作用下的安全、适用、经济和美观的要求。现行的公路桥梁抗震设计细则(JTGTB02-01-2008)中明确规定,抗震设防烈度为6度或者6度以上的公路桥梁必须进行抗震设计12。现行的公路桥梁桥梁抗风规范(JTG/T D60-01-2004)也对桥梁特别示大跨、轻柔桥梁的抗风提出了要求,桥梁不发生静力失稳、颤振、驰振,抖振和祸振振幅在规定范围以内3。近年来大型地震和强风频繁发生,如表1.1和表1.2所示表1.1 近年来全球发生的大震4 时间地点强度等级人员伤亡和财产损失1998.8

10、.17土耳其伊兹米特7.8级59280人伤亡,其中死亡17890人、伤41390人,1999.8.17米特7.8级损失达200亿美元1999.9.21台湾南投7.6级13711人伤亡，其中死亡2405人，伤11306人，10万人无家可归，损失达3000亿新台币，折合约92亿美元2001.1.26印度古吉拉特邦7.9级16480人死亡，15万人受伤，30万人无家可归，受灾总人口达1698万人，直接损失高达46亿美元2003.12.26伊朗6.7级3.6万人死亡2004.12.26印度苏门答腊岛9.0级37万人死亡,伤者不计其数,直接经济损失估计数十亿美元2005.10.8克什米尔的印、巴控制区交

11、界地区7.8级死亡73276人,伤69000人,倒塌官民房屋244000套,严重损坏约20万套,280万人受灾,直接经济损失折合达23亿美元2006.5.26中爪哇省日惹地区6.4级5855人死亡,37920人受伤,损毁房屋、建筑超过40万套,其中完全倒塌20万2006.7.17西爪哇南部7.7级659人遇难,300多人失踪2006.12.26台湾近海6.0级2人死亡,至少47人受伤,一处核电站因地震一时停运,震中区大约9条海底光缆断裂,中断国内、外部分通讯一月有余,经济损失超过1亿美元2007.7.16日本新潟6.7级造成13人死亡,692人重伤。表1.2 近年来全球发生的强风灾害4时间地点

12、风荷载人员伤亡和财产损失2002.11.10美国东部地区特大龙卷风34人死亡2003.5.4美国中部的密苏里、阿肯色、田纳西和堪萨斯等州特大龙卷风至少42人丧生，数十人受伤2004.9.16美国南部沿海地区飓风“伊万”至少42人死亡2005.8.25美国佛罗里达州卡特里娜飓风至少1800人死亡2006.4.2美国中西部地区的田纳西、伊利诺伊和印第安纳等州伴随着龙卷风和冰雹的雷雨至少27人死亡、数十人受伤2007.1.1日本爱知县台风“茉莉”至少2死，84伤2007.10.6台湾强台风“罗莎”208万6147户停电2008.2.5美国南方的田纳两、阿样色肯塔基、亚巴马和密两西比等州龙卷风和暴雨至

13、少44人死亡2008.5.10美国中部和东南部的密苏里、俄克拉荷马等州龙卷风和强暴雨至少22人死亡、100人受伤2009.8.8台湾“莫拉克”风灾681人死亡、失踪18人2010.2.27法国西北部海湾强台风“新加”一些居民房屋被淹，城市电力和交通受到严重影响2011.4.16美国中东部地区强风暴至少43人死亡，上百人受伤1.2 国内外的研究现状 桥梁抗震经历了1900年-1970年代的地震工程理论体系的建立时期，1970-1995年的迅速发展时期，和1995年至今的从新认识时期。1893年日本的Fusakichi Omori教授和他的同事John Milne教授开展了振动台试验，1908年H

14、arry Fielding Reid首次明确提出了地震生成的弹性回弹理论5。1911年美国地震学协会出版了第一本有关地震的学术研究期刊地震学学报，这是当时研究人员和工程师获得地震方面最新信息的唯一来源。1926年The Kyoji Suyehiro提出了振动分析和安装强震仪进行地震工程研究，安装了0.221.81秒的单向振子，地震发生时，振子摆动的位移记录在转动的鼓上，预示很小阻尼的反应谱，并提出了土一桩相互作用和给定场地土的特征周期的概念6。1932年John R.Freeman倡导和促进了强震加速度仪的安装和维护，同时在美国海洋地震调查局安装强震加速度仪，并由该机构负责维护和管理。1933

15、年美国长滩地震后，美国加州颁布了第一部有关抗震的法律条例The Field and Riley Acts，这部条例的颁布对美国的建筑抗震规范有着重大影响，1934年在导师Lydik Jacobsen教授指导下，John A.Blumes第一次将现场观测、振动台模型试验和分析计算三者结合在一起用于结构抗震响应的预测7。1935年1月，Charles F.Richter在美国地震学学报上提出了地震震级的定义，1941年加州理工学院George Housner博士首次提出了加速度图计算地震响应谱。1970-1995年抗震进入到了迅速发展阶段，这期间经历了两次比较大型的地震分别是1971年圣费多地震和1976年的唐山大地震，这期间，抗震研究进展和成果主要表现在以下几个方面8：（1）地震动输入以及地震地质灾害的研究；（2）抗震分析方法和设计理论的明确提出；（3）结构抗震试验技术的发展；（4）抗震设计规范的改进；（5）结构控制（减隔震技术和理论的形成和完善）；（