悬索拱桥的谐响应及地震谱响应分析
1、问题描述：
悬索拱桥除了承受风载、地震载荷外，更多的面临是车辆载荷的作用。由于共振引起的桥梁坍塌事故过去和现在都有发生，因此，根据动态分析的结果，对悬索拱桥结构进行直接的动态性能评估具有一定的指导意义。本文将先进行悬索拱桥的谐响应分析，确定悬索拱桥在单位简谐载荷作用下的结构响应，然后将在桥体侧向加地震谱，确定该桥体的结构响应。所选悬索拱桥长140m，桥墩高10m，悬索最高点距桥面的距离为20m。桥面采用混凝土材料，桥身框架采用钢材。
2、建模过程
1）定义工作文件名和工作标题
设定工作文件名为BRIDGE HARMONIC ANALYSIS,图形标题为BRIDGE HARMONIC ANALYSIS.
2）定义单元类型
本分析将采用三种单元类型，桥体框架讲使用BEAM4单元，桥面将使用SHELL63单元，悬索将使用LINK10单元。操作如下：
图1 单元类型定义
3) 定义单元实常数
定义三组实常数。其中，实常数1针对BEAM4单元，实常数2针对LINK10单元，实常数3针对SHELL63单元。如下图：
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图2 单元实常数定义
4）定义材料参数
整体模型采用两种材料：桥身框架采用钢材，弹性模量泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7800kg/EX=3.0
5）创建关键点
由于桥体具有对称性，首先创建单侧的关键点，然后通过平移复制得到另一侧的关键点，所有关键点创建完成后如下图：
图3 关键点定义
,
。
;桥面采用混凝土，弹性模量
，泊松比PRXY=0.2，密度DENS=
6）创建桥体框架
连接相应关键点，建立桥体模型框架结构，结果如下图：
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图4 桥体框架
7）创建桥面
整个桥面由9块平面组成，创建完成后如下图：
图5 桥体几何模型
至此，整个悬索拱桥的几何模型已经创建完毕。 8）划分网格
根据模型的特点和使用的材料情况，采用人工分网，桥体框架采用BEAM4单元、1号实常数和1号材料，网格大小指定为2，划分网格前需要选定相应的桥体框架直线，桥面上的8根悬索采用LINK10单元、2号实常数和1号材料，网格指定大小为1，桥面采用SHELL63单元、3号实常数和2号材料，网格大小指定为2。划分结果如下图：
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图6 分网之后的有限元模型
3、谐响应载荷分析
1）设定分析类型
进入ansys求解器，设定分析类型为Harmonic。 2）设置分析选项
求解方法选择Full，输出形式选择Real+imaginary，单击OK关闭对话框。
图7 分析选项设定
3）载荷步选项设置
设定频率范围为0—2.5Hz，载荷子步数为50载荷形式选择Ramped，单击OK按钮。
图8 载荷步选项设置
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4）施加位移约束
在图形窗口选择4个支座处节点，在ALL DOF中VALUE文本框中输入0，单击OK按钮，采取同样的方法在桥面两端的节点施加UX方向位移约束为0，结果如下图：
图9 位移约束
5）施加载荷
在图形中选择节点5和节点25，载荷方向选择FY，载荷实部输入1，虚部为0，单击OK按钮。
至此，所有边界条件加载完毕。 6）谐响应求解
执行Solve Current Load Step对话框，求解谐响应结果，完成后推出求解器。 7）观察结果
定义Y-Compent of displacement变量名取为UY-1，在图形窗口拾取左侧悬索和桥面连接处的节点，同理，选取中间悬索和桥面连接处的节点Y方向定义位移为Y-2.在Time History Variables对话框中显示图形窗口变量UY-1和UY-2随频率的变化曲线。
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