钢管混凝土组合格构柱高墩大跨连续刚构桥动力特性分析.pdf
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1、第 3 8卷第2期 2 0 1 2年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 2 7 钢管混凝土组合格构柱高墩大跨连续刚构桥 动力特性分析 郭 毅 , Y 一 - r - 斌 , 占玉林 ( 1 t) J I 理工学院机械工程学院, 四川 自贡6 4 3 0 0 0 ; 2 西南交通大学土木工程学院, 四川 成都6 1 0 0 3 1 ) 摘要: 结合某山区高墩大跨连续刚构桥的动力特性分析 , 研究了钢一混凝土组合格构柱高墩连续刚构桥的动力 特性分析方法 , 探讨了该类桥梁的动力特性结构行为及规律; 在一定参数的基础上,
2、研究了墩高、 边界约束条件、 曲 线形式、 曲线半径和横向连接系等参数的影响。计算结果为该类桥梁的抗风、 抗震设计研究提供了分析基础。 关键词: 高墩大跨连续刚构桥; 动力特性; 钢管混凝土格构柱; 有限元 中图分类号: U 4 4 8 2 3 文献标识码: A 文章编号: 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 2 0 2 7 0 5 Dy n a mi c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e hi g h p i e r - l o n g s p a n c o n t i n u o u s r i g i d - f r
3、a me d b r i d g e wi t h c o n c r e t e fil l e d s t e e l t u b e c o l u mn s GUO Yi W EN Hu a b i n ZHAN Yu l i n ( 1 S c h o o l o f M e c h a n i c a l E n g i n e e ri n g , S i c h u a n U n i v e r s i t y o f S c i e n c e& E n g i n e e r i n g , Z i g o n g 6 4 3 0 0 0 , C h i n a ; 2
4、S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g , S o u t h w e s t J i a o t o n g U n i v e rs i t y , C h e n g d u 6 1 0 0 3 1 , C h i n a ) A b s t r a c t : Wi t h a n a l y s i s o f d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c s o f t h e l o n g s p a n ri gid f r a me b ri d g e s w i t h h i g
5、 h p i e rs w h i c h i s l o c a t e d i n m o u n t a i n s , m e t h o d f o r a n al y s i s o f d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e l o n g s p a n r i gi d f r a me b ri d g e s i s r e s e a r c h e d , a n d s t r u c t u r e b e h a v i o r a n d l a w o f d y n a mi c c h
6、 a r a c t e ris t i c s o f t h i s t y p e o f b ri d g e a y e s t u d i e d On s t ru c t u r al d y n am i c p r o p e y, t h e i mp o a a n t e ff e c t s of t h e s t r u c t u r al p a r am e t e rs, s u c h a s p i e r h e i g h t , b o u n d a r y c o n d i t i o n , c u r v e d - gir d e
7、r s e c t i o n o f t h e b ri d g e a n d t r a n s v e rs e c o n n e c t i o n , i s s t u d i e d S o m e u s e f u l r e s u l t s a b o u t t h i s t y p e o f b ri d g e i s ma d e f o r s e i s mi c an d w i n d r e s i s t an c e d e s i g n Ke y w o r d s : h i g h p i e r l o n g s p a n
8、c o n t i n u o u s ri gi d f r a m e d b r i d g e ; d y n a m i c c h a r a c t e ri s t i c ; c o n c r e t e fi U e d s t e e l t u b e c o l u mn s ; fi n i t e e l e m e n t a n a l y s i s 0前言 德 国工程师 F i n s t e r w a l d在 1 9 5 3年建成的沃伦 姆斯桥 ( Wo r ms ) 的施工中, 引进 了现在标志着钢桥 传统施工方法的悬臂施工法, 此施工方法发展了
9、 预应力混凝 土结构 的一种新体 系_T形刚构。T 形刚构 因其特有的优点 , 在 随后的桥梁建设中得到 了长足的应用和发展。1 9 7 9年 , 瑞士建筑师克里斯 蒂安 门( C HR I S T I A N M E N N) 首创 了混凝土连续 刚构桥 , 建成了 F i d i r e 桥 j 。连续刚构体系的出现 , 增大了梁桥的跨越能力 , 大大推 动了梁桥在 大跨度 桥梁 中的发展 , 逐步在 1 2 0 3 0 0 m跨径范围内占据 了主导地位 引。 随着我 国公路建设 向着西部 以及山区迅速发 收稿 日期: 2 0 1 0 - 0 9 - 2 1 作者简介: 郭毅( 1 9 6
10、 3 一) , 男, 副教授, 硕士, 研究方向: 应用力学、 结构工程 。 基金项目: 四川教育厅项目( 0 9 Z C 0 5 9 ) ; 高等学校博士学科点专项科 研基金 ( 2 0 0 9 0 1 8 4 1 2 0 0 3 3 ) E m a i l : y i g u o 8 u s e e d u c n 展, 连续刚构桥的跨径和墩高都在不断刷新纪录。 目前 , 重庆 石板坡长 江大桥复 线最 大跨径 已达 到 3 3 0 m, 在建于四川雅泸高速公路上的一特大桥的墩 高达到 1 8 2 6 4 m, 成为“ 亚洲第一高墩” 。随着跨度 和墩高的增加 , 体 系越来越柔 , 不利
11、于抗震 , 为 了增 加体系的刚度 , 连续刚构桥的桥墩多采用高强材料 和薄壁结构。本文以一钢管混凝土组合格构柱高墩 大跨连续刚构桥特大桥为研究对象 , 钢管混凝土具 有强度高、 质量轻、 塑性好 、 耐疲劳和耐冲击、 大幅节 约钢材、 木料及水泥、 简化施工工艺同时缩短工期的 优点, 在拱桥建设中应用相当广泛, 而在连续刚构桥 的应用尚属首次。所 以, 对以钢管混凝 土组合格构 柱为桥墩 的该特大桥进行动力特性研究 , 对于促进 连续刚构桥的墩高发展和钢管混凝土在连续刚构桥 建设中的推广应用都有重要意义。 1 动力特性计算原理 根据达朗贝尔( D A l e m b e r t ) 原理得结
12、构运动方 程为: 2 8 四川建筑科学研究 第 3 8卷 五 + c 】 五 ) + K u : 一 I I ( ) ) ( 1 ) 式中 I- M 为质量矩阵; 为刚度矩阵; 【 c 为 阻尼矩阵; 五 , , u t 分别为结构加速度列向 量、 速度列向量和位移列向量; ( ) 为地面加速 度。 ( 1 ) 式的解包括两个部分, 一个是该式对应的 齐次式的通解, 另一个是该式的特解。前者即表示 结构的 自由振动 , 阻尼对体系 自由振动频率影 响不 大, 所以在 自由振动时有: 五 + = 0 f 2 ) 对于线性体系, 结构的 自由振动可假定为 : = 咖 i C O S (O ; t
13、( 3 ) 式 中 咖 i 为相对第 i 阶固有频率的振型的特征 向量; to i 为第 i NN - NN频率; t 为时间。 将式( 3 ) 代人式( 2 ) 中, 可以得到如下方程: ( 一 2 + K ) 咖 i= 0 ( 4 ) 式 中 i ( 0 ), 则有: K 一 :0 ( 5 ) 由上式求解结构体系各阶频率, 将频率结果代 人公式( 4 ) 即可求解各阶振型 ; 。 从数学上来说 , 求解特征值问题的方法较多 ,常 用的有逆 迭代法 、 R e y l e i g h R i t z法、 子空间迭代法 、 R i t z向量迭代法和 L a n c z o s 向量迭代法等。
14、 假定阻尼矩阵为经典阻尼 , 则微分方程( 1 ) 可 采用振型分解法求解。设位移列向量分解为: t ( ) = y ( ) ( 6 ) 式中 咖 为振型矩阵; l , ( t ) 为振型坐标 。 将式( 6 ) 代入式( 1 ) , 利用振型的正交性条件得 以下的独立振动方程 : ( )+ 2 i ( )+ o gY ( t )=一 i 五 ( )( 7 ) 其中 ( 8 ) i 丽 8 ) 称作第 i 阶振型的振型参与系数。进而可求出 其他几个关于振型的重要参数。 各阶振型有效质量 : 可靠 ( 9 ) 前 i 阶振型的有效质量累计 比为 : M : j 2Moj 2 工程概况 该特大桥主
15、跨为变截面连续刚构 ,主桥跨径组 合为: 左幅及右幅均为 1 0 5 + 2 2 0 0+1 0 5 m 丰桥 长 6 1 0 IT I 。采用分幅设, 主桥宽度 2 4 5 m( O 5 m防 护栏 +1 0 7 5 m车行道 + 2 0 r n中央隔离带 +1 0 7 5 r f l 车行道 + O 5 m防护栏) ,桥梁立面示意图见图 1 。 桥纵向轴线从 K 3 9 + 3 9 5 6 7开始为曲线 ,曲线半径 为 2 5 0 0 m, 桥梁平面视 图见图 2 。 1 0 50 0 丁 图1 大桥立面示意( 单位: c n l l F i g 1 Di a g r a m o f t
16、h e r i g h t s i d e o f t h e b r i d g e 图2 大桥平面示意( 单位: c m) F i g 2 Di a g r a m of the u p p e r s i d e of th e b r i d g e 主梁截面形式 与常规预应力刚构桥没有 区别 , 桥墩截面形式在文献 4 中已有详细介绍 ,不作叙 述。主墩采用分幅式钢管混凝土叠合柱 ,主墩横桥 向6 8 m, 顺桥向1 0 m, 横桥向等宽, 顺桥向按 7 O : 1 放坡 。左右两幅桥相互独立 , 满足相互之间纵 向变 位的独立性, 在桥墩之间设置横向联系以增强横向 的稳定性和刚度
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