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摘要 本文主要介绍利用ANSYS建立桥梁的结构模型，并计算出恒载、活载作用下所产生的内力及应力。其中活载采用公路－Ⅰ级和公路－Ⅱ级的荷载标准对桥梁进行加载，并将活载作用下杆件所产生的内力及应力进行组合，将其组合值与实测应力幅值相比较，以此来作为评估荷载等级的依据。随后对实桥的交通进行观测，在观测的基础上统计出车辆的类型、车重、轴距和过往频率，再根据统计的结果最终建立车辆模拟荷载。
关键词：钢桁架、有限元模型、车辆荷载模拟
This paper mainly introduces the structure of the bridge by ANSYS established model, and calculates the constant load, under the influence of live load and the internal force produced and stress. Live load of the highway-Ⅰ level and highway-Ⅱ level to bridge for the standard load load, and will be under the influence of live load and stem a generated internal force and stress in combination, will the combination with measured values stress amplitude compared, as the basis for evaluating load level. Then the real bridge traffic for observation, the basis of the observation statistics a vehicle type, weight of the car, wheelbase and past frequency, again according to statistics results vehicle load establish simulation.
Keywords: steel truss, finite element model, the vehicle load simulation
中圖分类号：F407.9 文献标识码：A 文章编号
1 概述
近年来，随着我国交通运输事业的不断发展，大量低等级公路被改建扩建，服役桥梁能否继续使用已成为公路建设决策部门的一件大事。
桥梁由于营运使用多年，主要部位常常会出现不同程度的损坏，其实际的承载能力也会降低。原来按旧标准规定的荷载等级设计建造的桥梁，随着交通量的不断增加，车辆载重量的不断加大，要求其承载能力越来越高。那么桥梁处在什么样的一种工作状态下，是否需要进行维修加固等等，都需要对桥梁进行疲劳荷载的评估。通过对桥梁的技术数据，建立桥梁的车辆荷载模拟从而了解桥梁实际受力状态，判断结构的安全能力和使用条件。
20世纪70年代以前修建的大量低标准公路桥梁已经达到或接近设计基准期。在自然因素侵蚀下，甚至在地震、撞击和超载营运的严重损害下，许多桥梁的结构性能发生了巨大变化，有些桥梁已经出现不同程度的损伤，甚至其承载能力已经大大降低而逐渐演变为危桥，对这类桥梁急需加以综合评定，以便采取相应的技术改造措施或拆除改建等处理方案。
2.1ANSYS建模分析杆件截面特性
对于桥梁结构来说，其组成材料的特性、结构的几何尺寸与桥梁在一定荷载情况下的内力、变形等相联系，要对桥梁的可靠性进行分析，就必须先对桥梁的组成材料的特性和结构的几何尺寸有所了解。本次设计为钢桁架桥，其上部结构采用4×112为下承式四跨一联的连续栓焊钢桁架，首先对各个桁架杆件的截面特性进行分析。根据资料在给出的桥梁杆件的截面几何尺寸，在ANSYS中使用命令路径：Preprocessor/sections/Beam/Common Sections并输入几何数值，可得出各个不同截面的截面特性。
ANSYS计算恒载内力
2.2.1 加约束
使用ANSYS命令中的D 命令可以实现在节点上施加DOF约束。D命令的命令格式为：
D，NODE，LAB，VALUE，VALUE2，NEND，NINC，LAB2，LAB3，LAB4，LAB5，LAB6
其中：LAB：有效的DOF标签，如果为ALL，则为所有适宜的标签名，在本次设计中使用到的主要为位移结构标签UX，UY，UZ；VALUE：定义DOF的值；VALUE2：第二个自由度值；NEND，NINC：对按增量NINC(默认值为1)从NODE到NEND(默认值为NODE)的节点指定同样的约束值；LAB2，LAB3，LAB4，LAB5，LAB6：附制的DOF标签，对这些标签，同样的值施加到关键点上。
命令使用时须注意节点坐标系定义，结构转角和平移的的正方向与节点坐标轴的正向相同。
2.2.2计算节点板重量及桥面铺装的重量
在分析桁架受力时，常假设所有的荷载都施加在节点上。由于桁架在设计时就考虑让大部分荷载施加在节点上，因此这个假设在大多数情况下是成立的。一般情况下，杆的重量与荷载相比可以忽略不计。
2.2.3加恒载
在ANSYS中加恒载的命令为F，F是用来实现在节点上施加集中载荷的命令。其命令格式为：
F，NODE，LAB，VALUE，VALUE2，NEND，NINC
其中：NODE：将要施加集中载荷的节点编号民，也可以为ALL，P或元件名；LAB：有效的集中载荷标签，本次设计中使用的是集中结构标签FX，FY或FZ；VALUE：输入力的数值或指定表格边界条件的表格名称，表格名必须要用符号“%”括起来；VALUE2：如果需要的话是第二个力值；NEND，NINC：对按增量NINC(默认值为1)从NODE到NEND(默认值为NODE)的节点上指定同样的集中载荷值。
使用F 命令时，力将定义在节点坐标系上，结构力的正向与节点的正向相同，与力相关的节点和DOF标签也可以被选择。
2.3ANSYS计算活载影响线值
活载的加载
在移动荷载作用下结构上的各种量值均将随荷载的位置而变化，求出各种量值的最大值。根据设计要求，需要计算汽车荷载的公路－I级和公路－II级两个等级。按规范要求，公路－I级车道荷载的均布荷载标准值为qk＝10.5KN/m；由于桥梁的计算跨径大于50m，故取Pk＝360KN。公路－II级车道荷载的均布荷载与集中荷载的标准值均按公路－I级的0.75倍取。人群荷载标准值为3.5KN/m。活载加载的最大量值计算：Smax=qk ω。其中：qk－均布荷载标准值；Pk－集中荷载标准值；ω－同符号的影响线面积；ymax－最大竖标值。
由活载加载最大量值计算公式知道，将荷载布满对应于影响线所有正面积的部分，则产生Smax；反之，将荷载布满对应于影响线所有负面积的部分，则产生Smin值。计算疲劳应力时，各国规范规定有所不同，我国的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）是采用法向应力。
对于桁架桥来讲，其杆件不仅要承受轴向力，而且还要承受两个方向的弯矩作用，因此在形成关系杆件应力影响线时，就合理计入弯矩的影响，即杆件应力影响线是轴力应力与两个方向的弯矩应力叠加的结果。
交通荷载模拟
已经证实：在一段相当长的时间内，比如说10年，轴重的分布是很少有变化的。另外还观察到一个与国家无关的测试结果：图3-1中轴重大小看成是对具体国家所容许的最大轴重之比例。而在单位时间内所过的轴数是与桥梁的具体地理位置相关的。
车辆间距和在车道上的位置精度也必须加以测量。
在有了交通的重要统计参数之后，就可以定义车辆模型。定义发的车辆模型应能代表真实交通荷载。
使用确定性和统计性的模拟参数可以产生一个虚拟车流，以此来模拟真实交通荷载，它呈现出一个近似真实的交通荷载统计分布。
结束语
1 本文是采用直接用ANSYS创建结构模型的方法，即通常所说的结构建模。在建模过程中，先对模型的几何特征进行描述，通过控制单元划分的大小及形状，使ANSYS自动生成节点与单元，从而生成有限元模型；
2 对桥梁进行恒载、活载的加载，求出恒载、活载作用下的内力及应力，最后得出內力及应力的组合值，通过与实测得出的荷载应力谱的比较，实现对桥梁的荷载等级评估。
参考文献
[1]姚玲森，桥梁工程.北京:人民交通出版社,2002
[2]Badht.B.and Jaeger.L.G..Bridge testing-A surprise every time. J.Struct.Engrg.ASCE.116.1370-1383
[3]杨炳成.公路桥梁电算. 北京:人民交通出版社,2000
[4]Spriggs G E.Verification of girder distribution factors for short-steel girder bridges by field testing. Int J of Refractory Metal and Hard Material,1995,13:241-255
[5]王有志.桥梁的可靠性评估与加固. 北京:中国水利水电出版社,2002
[6]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定. 北京:人民交通出版社,2002
[7]李廉锟.结构力学. 北京:高等教育出版社,2003。
[8]公路工程技术标准（JTCB01-2003）
[9]公路桥涵设计通用规范
[10]公路桥涵养护规范（JTGH11-2004）
关键词：钢桁架、有限元模型、车辆荷载模拟
This paper mainly introduces the structure of the bridge by ANSYS established model, and calculates the constant load, under the influence of live load and the internal force produced and stress. Live load of the highway-Ⅰ level and highway-Ⅱ level to bridge for the standard load load, and will be under the influence of live load and stem a generated internal force and stress in combination, will the combination with measured values stress amplitude compared, as the basis for evaluating load level. Then the real bridge traffic for observation, the basis of the observation statistics a vehicle type, weight of the car, wheelbase and past frequency, again according to statistics results vehicle load establish simulation.
Keywords: steel truss, finite element model, the vehicle load simulation
中圖分类号：F407.9 文献标识码：A 文章编号
1 概述
近年来，随着我国交通运输事业的不断发展，大量低等级公路被改建扩建，服役桥梁能否继续使用已成为公路建设决策部门的一件大事。
桥梁由于营运使用多年，主要部位常常会出现不同程度的损坏，其实际的承载能力也会降低。原来按旧标准规定的荷载等级设计建造的桥梁，随着交通量的不断增加，车辆载重量的不断加大，要求其承载能力越来越高。那么桥梁处在什么样的一种工作状态下，是否需要进行维修加固等等，都需要对桥梁进行疲劳荷载的评估。通过对桥梁的技术数据，建立桥梁的车辆荷载模拟从而了解桥梁实际受力状态，判断结构的安全能力和使用条件。
20世纪70年代以前修建的大量低标准公路桥梁已经达到或接近设计基准期。在自然因素侵蚀下，甚至在地震、撞击和超载营运的严重损害下，许多桥梁的结构性能发生了巨大变化，有些桥梁已经出现不同程度的损伤，甚至其承载能力已经大大降低而逐渐演变为危桥，对这类桥梁急需加以综合评定，以便采取相应的技术改造措施或拆除改建等处理方案。
2.1ANSYS建模分析杆件截面特性
对于桥梁结构来说，其组成材料的特性、结构的几何尺寸与桥梁在一定荷载情况下的内力、变形等相联系，要对桥梁的可靠性进行分析，就必须先对桥梁的组成材料的特性和结构的几何尺寸有所了解。本次设计为钢桁架桥，其上部结构采用4×112为下承式四跨一联的连续栓焊钢桁架，首先对各个桁架杆件的截面特性进行分析。根据资料在给出的桥梁杆件的截面几何尺寸，在ANSYS中使用命令路径：Preprocessor/sections/Beam/Common Sections并输入几何数值，可得出各个不同截面的截面特性。
ANSYS计算恒载内力
2.2.1 加约束
使用ANSYS命令中的D 命令可以实现在节点上施加DOF约束。D命令的命令格式为：
D，NODE，LAB，VALUE，VALUE2，NEND，NINC，LAB2，LAB3，LAB4，LAB5，LAB6
其中：LAB：有效的DOF标签，如果为ALL，则为所有适宜的标签名，在本次设计中使用到的主要为位移结构标签UX，UY，UZ；VALUE：定义DOF的值；VALUE2：第二个自由度值；NEND，NINC：对按增量NINC(默认值为1)从NODE到NEND(默认值为NODE)的节点指定同样的约束值；LAB2，LAB3，LAB4，LAB5，LAB6：附制的DOF标签，对这些标签，同样的值施加到关键点上。
命令使用时须注意节点坐标系定义，结构转角和平移的的正方向与节点坐标轴的正向相同。
2.2.2计算节点板重量及桥面铺装的重量
在分析桁架受力时，常假设所有的荷载都施加在节点上。由于桁架在设计时就考虑让大部分荷载施加在节点上，因此这个假设在大多数情况下是成立的。一般情况下，杆的重量与荷载相比可以忽略不计。
2.2.3加恒载
在ANSYS中加恒载的命令为F，F是用来实现在节点上施加集中载荷的命令。其命令格式为：
F，NODE，LAB，VALUE，VALUE2，NEND，NINC
其中：NODE：将要施加集中载荷的节点编号民，也可以为ALL，P或元件名；LAB：有效的集中载荷标签，本次设计中使用的是集中结构标签FX，FY或FZ；VALUE：输入力的数值或指定表格边界条件的表格名称，表格名必须要用符号“%”括起来；VALUE2：如果需要的话是第二个力值；NEND，NINC：对按增量NINC(默认值为1)从NODE到NEND(默认值为NODE)的节点上指定同样的集中载荷值。
使用F 命令时，力将定义在节点坐标系上，结构力的正向与节点的正向相同，与力相关的节点和DOF标签也可以被选择。
2.3ANSYS计算活载影响线值
活载的加载
在移动荷载作用下结构上的各种量值均将随荷载的位置而变化，求出各种量值的最大值。根据设计要求，需要计算汽车荷载的公路－I级和公路－II级两个等级。按规范要求，公路－I级车道荷载的均布荷载标准值为qk＝10.5KN/m；由于桥梁的计算跨径大于50m，故取Pk＝360KN。公路－II级车道荷载的均布荷载与集中荷载的标准值均按公路－I级的0.75倍取。人群荷载标准值为3.5KN/m。活载加载的最大量值计算：Smax=qk ω。其中：qk－均布荷载标准值；Pk－集中荷载标准值；ω－同符号的影响线面积；ymax－最大竖标值。
由活载加载最大量值计算公式知道，将荷载布满对应于影响线所有正面积的部分，则产生Smax；反之，将荷载布满对应于影响线所有负面积的部分，则产生Smin值。计算疲劳应力时，各国规范规定有所不同，我国的《公路桥涵钢结构及木结构设计规范》（JTJ 025-86）是采用法向应力。
对于桁架桥来讲，其杆件不仅要承受轴向力，而且还要承受两个方向的弯矩作用，因此在形成关系杆件应力影响线时，就合理计入弯矩的影响，即杆件应力影响线是轴力应力与两个方向的弯矩应力叠加的结果。
交通荷载模拟
已经证实：在一段相当长的时间内，比如说10年，轴重的分布是很少有变化的。另外还观察到一个与国家无关的测试结果：图3-1中轴重大小看成是对具体国家所容许的最大轴重之比例。而在单位时间内所过的轴数是与桥梁的具体地理位置相关的。
车辆间距和在车道上的位置精度也必须加以测量。
在有了交通的重要统计参数之后，就可以定义车辆模型。定义发的车辆模型应能代表真实交通荷载。
使用确定性和统计性的模拟参数可以产生一个虚拟车流，以此来模拟真实交通荷载，它呈现出一个近似真实的交通荷载统计分布。
结束语
1 本文是采用直接用ANSYS创建结构模型的方法，即通常所说的结构建模。在建模过程中，先对模型的几何特征进行描述，通过控制单元划分的大小及形状，使ANSYS自动生成节点与单元，从而生成有限元模型；
2 对桥梁进行恒载、活载的加载，求出恒载、活载作用下的内力及应力，最后得出內力及应力的组合值，通过与实测得出的荷载应力谱的比较，实现对桥梁的荷载等级评估。
参考文献
[1]姚玲森，桥梁工程.北京:人民交通出版社,2002
[2]Badht.B.and Jaeger.L.G..Bridge testing-A surprise every time. J.Struct.Engrg.ASCE.116.1370-1383
[3]杨炳成.公路桥梁电算. 北京:人民交通出版社,2000
[4]Spriggs G E.Verification of girder distribution factors for short-steel girder bridges by field testing. Int J of Refractory Metal and Hard Material,1995,13:241-255
[5]王有志.桥梁的可靠性评估与加固. 北京:中国水利水电出版社,2002
[6]宋一凡.公路桥梁荷载试验与结构评定. 北京:人民交通出版社,2002
[7]李廉锟.结构力学. 北京:高等教育出版社,2003。
[8]公路工程技术标准（JTCB01-2003）
[9]公路桥涵设计通用规范
[10]公路桥涵养护规范（JTGH11-2004）