中承式异形钢管混凝土拱桥动力特性分析.pdf
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1、第 2 9卷 第 l期 2 0 1 2年 3月 建筑科 学与工程 学报 J o u r n a l o f Ar c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g Vo 1 29 M a r NO 1 2 01 2 文 章 编 号 : 1 6 7 3 2 0 4 9 ( 2 O 1 2 ) 0 卜0 0 8 7 0 7 0 中承式异形钢管 混凝 土拱桥 动力特性分析 黄 小伟 , 王 浩 , 李爱群 , 谢静 ( 东南大学 混 凝土及预应力混凝土结构教育部 重点实验室 , 江苏 南京 2 1 0 0 9 6 ) 摘要 : 运用通
2、用有限元软件 ANS YS对某q - 承式异形钢 管混凝土拱桥进行 了动力特性的数值模拟 分析 , 给 出了 自振 频 率和振 型描 述 , 并对 自振 特性 的影 响 因素进 行 了研 究 。结果表 明 : 主拱肋 、 竖 吊 杆 、 斜 撑 有助 于增 强拱 桥 的竖 向 刚度 ; 副拱肋 对拱 桥 面 外振 动 影 响较 大 , 其 外倾 角影 响 结 构整 体 刚 度 ; 横 撑 、 斜 撑的设 置有助 于提 高拱 肋 的横 向刚 度 , 增 强抗 风 的稳 定性 ; 二期 恒载 集度 对 竖弯振动 影 响较大; 边界条件对拱桥的动力特性有显著影响 。研究结果可以为同类桥 粱的抗震设计
3、提供参考。 关键 词 : 中承 式异 形钢 管 混凝 土拱桥 ; 有 限元 ; 动 力特 性 ; 拱 肋 ; 边界 条件 中图分类 号 : U4 4 8 2 2 文 献标 志码 : A An a l y s i s o n Dy na m i c Cha r a c t e r i s t i c s o f H a l f - t h r o u g h S p e c i a l - s ha p e d CFS T Ar c h Br i d g e H UANG ( Ke y I a h o r a t o r y o f C Xi a o we i ,W ANG Ha o,LI Ai
4、 q u n,XI E J i n g 8 -P C S t r u c t u r e s Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n,S o u t h e a s t Un i v e r s i t y, Na n j i n g 2 1 0 0 9 6 ,J i a n g s u,Ch i n a ) Ab s t r a c t :Us i n g t h e g e n e r a l f i n: t e e l e me nt s of t wa r e ANSYS,t he nu m e r i c a l s i m u l a t i o
5、n a n a l ys i s wa s p e r f or me d o n a h a l f t hr ou gh s pe c i a l s ha pe d c o nc r e t e f i l l e d s t e e l t ubu l a r ( CFS T )a r c h br i d ge t o o bt a i n dy na mi c c ha r a c t e r i s t i c s The s e l f v i br a t i on f r e q ue n c i e s a n d v i br a t i o n mod e d e s
6、 c r i pt i o ns we r e gi v e n,a nd t he i n f l ue nc e f a c t o r s o n t he s e l f vi br a t i on c ha r a c t e r i s t i c s we r e a l s o c a r r i e d ou t The r e s ul t s s ho w t ha t m a i n a r c h r i b, ve r t i c a 1 b oo m a n d br a c e s he l p t o e nha nc e t he ve r t i c a
7、 l s t i f f ne s s o f t he a r c h br i d ge Vi c e a r c h r i b ha s a g r e a t e r i mpa c t o n t he o ut of pl a ne v i b r a t i o n a nd c a m b e r a n gl e a f f e c t t he o v e r a l l s t i f f ne s s o f t he s t r u c t ur e Tr a n s v e r s e s u pp o r t a nd br a c e s wi l l i m
8、 pr o v e t he l a t e r a 1 s t i f f ne s s of t he a r c h r i bs,a nd e nh a nc e t he s t a b i l i t y o f wi nd r e s i s t a nc e The b oun d a r y c o nd i t i o ns ha v e g r e a t i mpa c t s on d y na mi c c ha r a c t e r i s t i c s a n d d e g r e e o f s e c o nd de a d l o a d o n t
9、 he v e r t i c a l v i br a t i on The s t ud y r e s ul t s c a n p r o v i d e a r e f e r e nc e f or t h e s e i s mi c de s i gn o f s i m i l a r br i d ge s Ke y wo r d s :ha l f t h r ou gh s pe c i a l s h a pe d c on c r e t e f i l l e d s t e e l t ubu l a r a r c h b r i dg e;f i ni t
10、e e l e me nt ; d yn a m i c c ha r a c t e r i s t i c ;a r c h r i b;b ou nda r y c o nd i t i o n 引 口 桥梁 结构 的 自振 特性 研究 对桥 跨结 构 的抗震 设 收稿 日期 : 基 金 项 目 : 作者简介 : 计 、 抗 风稳 定性 分析 、 健 康检 测和 维护 等都 有着重 要 的意 义 , 桥 梁 的 自振 特性 包 括 桥 梁 的 自振频 率 与 主 振型 , 是进行结构动力分析和抗震设计的重要参数 , 2 0 l 1 l 0 1 5 国家 自然科 学基金项 目( 5 0 9
11、 0 8 0 4 6 ) ; 国家杰 出青年科 学基金项 目( 5 0 7 2 5 8 2 8 ) ; 中央高校基本科研业务费专项资金项 目( S e u c x 2 0 1 1 0 6 ) 黄小伟( 1 9 8 7 一 ) , 男 , 湖南怀化 人, 工学硕士研究生 , E ma i l : a t p h x wl 9 8 7 1 6 3 C O lT。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 8 建 筑科 学与 Z - 程 学报 2 0 l 2_缸 也 是使 用 阶段 判别桥 梁 是否存 在损 伤 的基本 依据 。 钢 管 混 凝 土拱 桥 属 高 次 超静
12、定 的 柔性 结 构 , 工 作 在 几何非 线 性状 态 它 与传 统 的石 板 桥 和钢 筋 混 凝 土拱 桥在 材 料性 能 、 结 构 体 系 等 方 面 都 有着 明显 的差异, 其抗震性 能、 车振性 能等均有其 自身 的特 点 。 目前 , 中罔对 钢 管混 凝 土拱 桥 的静 力 性 能研 究 取 得 了阶段 性 的成果 , 动 力性 能 的研究 近 l 0多年 也 已取 得 r初 步 的成 果【 】 , 但 是 异形 钢 管 混 凝 土拱 桥 的分析 很 少 见 , 由于 空 间组合 拱肋 、 刚性 角 区等 较 为新颖 的构 造 , 动力 特性 规律 不好 把握 。此 外
13、, 根 据拱 桥理 论 和许 多文献 的观点 j , 桥梁 结构 的动力 特性 取 决于结 构 的组成 体 系 、 刚度 、 质量分 布 以及 支 承 条件 等 。文献 6 , 7 表 明 , 矢跨 比对 拱桥 竖 向面 内振 动 影 响很小 , 只是对 面外振 动 有一定 影 响 ; 文 献 8 进行 r 大 跨 三塔悬 索桥 动力 特性 参数 分 析 , 认 为 钢箱 梁 向 、 侧 向 艾扭 转 刚 度 对 动力 特 性 的影 响 不 ; 埘静 ” 进 行 r大跨 斜拉 桥 的动力 特性 参数 分 析 , 认为恒 载集 度对 主 梁 竖 弯 、 侧 弯及 扭 转 振 动 频 率 都 有影
14、 响 ; 姜海 波 等 认 为 真 实 桥 梁 结 构 振 动 时 , 支 座 处 的边 状 态 并 是标 准 固 定 支 座 与 活 动 铰 支 ,并 住动 力损 伤检 测 1 采 用 弹簧一 质 量边 界 梁模 型 求模 拟 实 际边 界 条件 。可 , 动 力 特性 的影 响 因素 很 多 , r i 对 于不 同桥 梁不 同的振动 形态 , 各 素 的影 响程 度 小同 , 有 必 要 对拱 桥 的动 力 特 性 及 各 因素 的 影 响规 律进 行 系统 的研 究 。 本文 t I 1 笔 者 以河南 洛 阳瀛洲 大桥 工程 主桥 中跨 L J 承 式 异 形 卒 问 组 合 拱 肋
15、 拱 桥 为 背 景 , 运 用 AN S Y S软件 建立 该桥 的三 维有 限元 计 算模 型 , 并 对其 进 行 r自振特 性分 析 , 根 据拱 桥 中主 要构件 刚度 、 二 期 恒 载集 度 及边 界条件 等参 数对 该 桥动力 特性 的影 响进 行 r研 究 , 其 巾重 点研 究 了副 拱 肋 外 倾 角 对结 构动 力特 性 的影 响 。最 后 , 探 讨 了 中承 式 异 形 钢 管 混凝 土拱 桥 白振 特性 及其 参 数 影 响 的一 般规 律 , 以 期 为同 类型桥 梁 的 没计 和 研究 工作 提供参 考 。 l 有 限元计算 方法 桥梁结构动力分析中最基本的问
16、题是计算结构 的 Ih振频 率 和振 型 , 它 是 计 算 桥 梁结 构 动 力 响应 的 础 。一般 的结 构 固有振 动方 程为 M + C + K6= = = F 武 中 : M 为 结 构质 量 矩 阵 ; c为结 构 阻 尼矩 阵 ; K 为 结构 埘 0 度矩 阵 ; F 为外力 列 阵 ; , , 分 别 为 位移 列 阵 、 速 度列 阵和 加速 度列 阵 。 因此 在 进 行 结 构 动力 分 析 时 , 除 建 刚度 矩 阵 外 , 还需要 建 立结 构 的质 量 矩 阵 和 阻 尼 矩 阵 。 而在 求结 构 的 自振 特 性 时 , 常忽 略阻 尼 的 影 响 。对
17、钢 管 混凝 土拱 桥进 行 动 力分 析 通 常 采 用 有 限 元 法 , 住 建 立有 限元 模 型时 , 主 要 考 虑 拱 圈 和 吊杆 间 的相 互 作 用 , 对桥 面 系 、 基 础 间的作 用 以及 阻尼等 因 素 的影 响 暂不 考 虑 , 即令 C 0 , 并 取 F一0 ; 运 用 达 朗 贝尔 原 理 , 可得 到钢 管混 凝 土 拱 桥 的 无 阻尼 自由振 动 方 程 M +K6 0, 其特征 方程 ( 频率 方程 ) 为 i K c U M I 一 0 , 为结构 振 动 的角频 率 。 由于钢 管混 凝土 拱桥 的跨 度较 大 , 结构 复杂 自 由度数 目庞
18、 大 , 因此 得 到 的 整 个 结 构 的 动 力方 程 阶 数 较 高 , 求解 该 方程 较为 困难 。对 于这 种大 型结 构 , 通 常是 前几 阶 自振频 率 和相应 振 型对结 构 的位 移 和 内力起 着控 制作 用 , 因此 , 只需 求 得对 结构 起控 制作 用 的前 几 阶振 动频 率 和 相 应 振 型 , 采 用 目前 最 有 效 的子 空 间迭代 法来计 算 。 2 工程背景及有 限元模型 洛 阳瀛 洲 大 桥位 于 河 南 省 洛 市 , 主桥 跨 越 洛 河 , 长 6 1 0 1 1 1 , 由 3 5 m( 飞 燕 拱 ) +35 0 H 1 + 6 o
19、 m ( 边跨 , 上 承式 连拱 ) + 1 2 0 m( 中跨 , 。 承式 钢 管 混凝 土系杆拱 ) +6 0 m+3 x 5 O I T I ( 边 跨 1 承 式 连 拱 ) 十 3 5 m( 飞燕 拱 ) 组 成 。 丰桥 中跨 为 跨 径 1 2 0 n 的 中 承式 空 间组合 拱肋 钢 管 混 凝 土 系 杆 拱 桥 , 总 体 布 置 如 图 l 所 示 。拱肋 结 构 为 由 1根 主拱 肋 ( 钢 管 混 凝 土构 件 ) 和 2根副 拱肋 ( 空 钢管 构件 ) 通 过横 撑 、 斜 撑 连接 组 成 的倒 三 角形 卒问 组合 式拱 肋 。拱 轴线 为抛 物线 ,
20、 主拱 肋位于 向平面 内, 是矢跨 比为 1 3 5 、 直 为 1 5 m 的钢管 f 昆 凝土 构件 ; 2 根 副 拱肋 竖 直平 面向两侧外倾 2 2 0 5 。 得 到 , 足 。 向平 面 1人 J 欠 跨 比为 l s 0 、 直径 为 】 2 m 的空 钢 管 构件 ; 主 拱 肋 钢管 厚 为 2 0 mm, 钢 管 内填 充 0微 膨 胀 混 凝 士 剐 拱 肋 钢管 壁 厚 为 2 2 mm; 斜 撑 为 变 截 面 高 T 7 钢 构 件 , 横 撑 为直径 2 9 9 i l l m 的 钢 管 构 件 。 主 梁 为混 合 梁结 构 , 跨 中部分 主梁 为 长
21、7 9 ,1 8 m 的个封 钢 混 凝土 叠 合梁结 构 , 其 余部 分 为混 凝 土 结 构 。叠 合 梁部 分通 过 1 3根 竖 吊杆 和 1 8根 斜 吊杆 分 别 主 、 副拱肋 相 连 , 吊杆问距为 6 Il l_ 。主梁混 凝土 段 部分 两侧 均 为 长 4 6 5 1 I I 1 的预 麻 力 混 凝 土悬 臂 梁 梁 宽 3 1 0 m, 目 - 与桥 下 混 凝 土 斜 腿 段 刚接 。 彤 成 大 的 二角 刚架 , 靠 近主跨 部分 的 混凝 土拱 肋 高 3 1I 1 , 采 用上 宽 l 6 n l , 下 宽 2 0 II 1 的箱 形 截 面结 构 ,
22、近 边 跨 部 分 的混凝 土拱 肋 高 2 I I 1 , 采用 等宽 2 6 1I 1 的箱 肜截 向 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1期 黄 小伟 , 等 : 中承 式异 形钢 管混 凝 土拱桥 动 力特性 分析 图 1 瀛洲 大桥 主桥 中跨总体布置 ( 单位 : m) Fi g 1 Ge ne r a l Ar r a ng e me nt o f Yi n g z h ou Br i d g e Ma i n - b r i d g e Mi d d l e - s p a n ( Un i t : m) 结 构 。 基 于 ANS YS平 台
23、建立 的三 维有 限元模 型如 图 2所 示 。在建 模过 程 中, 将 拱 肋 部分 构 件 、 三 角 刚架 混凝土梁段部分 、 钢 混凝土叠合梁段部分 、 横撑、 斜 撑 采 用考 虑剪 切变 形 的空 间 梁单 元 B e a m4模 拟 , 竖 吊杆 、 斜 吊 杆 以及 系 杆 采 用 只 受 拉 的 空 间 杆 单 元 L i n k l 0 模 拟 , 拱 肋 与 主 梁 结 构 分 别 在 斜 撑 、 吊杆 处 离 散 。拱肋 、 拱 脚 钢 管 混凝 土 以混 凝 = E 和 钢 材 的 实 际用 量计算 平 均密 度 值 , 桥 面铺 装 层 和 桥 面 其 他 构 造
24、的质 量计 入 主梁 密 度 中 , 以 考虑 其 质量 对 自振 特 89 图 2 瀛 洲 大 桥 主 桥 中跨 有 限元 模 型 Fi g 2 Fi n i t e El e m e nt M o d e l of Yi ng z h o u Br i dg e M a i n - br i d g e M i dd l e - s p a n 性的影响, 保证 白振特性订算 的正确性 。钢管混凝 土拱肋截面刚度根据文献 1 2 中所推荐 的公式计 算 。边界条件处理为 : 拱肋部分与两侧混凝土梁段 采用刚性连接; 钢一 混凝土叠合梁段部分与两侧预应 力 混凝 土梁段 部 分 弹性 简 支
25、 连 接 ( 连 续 缝 ) ; 拱脚 处 刚接 。 3动力特性分析 采 用 子空 间迭 代法 提 取结 构前 1 0阶 自振频 率 和振型 , 结果 见 表 1 , 典 型 的侧 弯 、 竖 弯 、 耦 合 振 型 如 图 3所 示 。 由表 1 及 图 3 可 以 看 出 , 该 中 承 式 异 形 钢 管 混 表 1 瀛洲大桥主桥 中跨前 l O阶 自振频率和振型特征 Ta b 1 Th e Fi r s t Te n S e l f - v i b r a t i on Fr e q u e nc i e s a nd Vi b r a t i o n M o d e Cha r a
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