20-悬索桥分析(一)
MIDAS做悬索桥分析(一)
一悬索桥初始平衡状态分析
悬索桥主缆在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态，在满足设计要求的垂度和跨径条件下，计算主缆的坐标和张力的分析一般称为初始平衡状态分析。这是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提条件，所以应尽量使初始平衡状态分析结果与设计条件一致。使用midas Civil中“悬索桥建模助手”功能，可以很方便的完成悬索桥的初始平衡状态分析。
1 建模助手
图1 悬索桥建模助手
图1是悬索桥建模助手设置对话框，参考帮助说明文档，掌握各参数含义及使用注意事项。在使用该建模助手时，经常碰到如下疑问：1）对于小跨径的人行索桥，没有边跨如何建模？
2）桥面系荷载如何正确定义？
3）横向内力如何计算？
解决了上述疑问，才能正确的使用悬索桥的
对于问题2，定义桥面荷载有2种方法，如下图所示：
图4 单位重量法
图5 详细设置
方法1，定义单位重量荷载值，荷载类型为等效均布荷载，大小等于除主缆和吊杆自重外成桥恒荷载，主缆和吊杆自重程序会自动考虑。
方法2，勾选详细设置，荷载类型有点荷载和均布荷载，可以分别定义桥面左、中、右跨的成桥恒荷载（不含主缆和吊杆自重）。当使用点荷载时，程序将桥面恒荷载集中到吊杆上，每根吊杆承担的荷载值为相邻吊杆间距范围内的桥面恒载加上吊杆两端锚固处的恒荷载；当使用分布荷载时，分别定义桥面左、中、右跨等效均布
荷载，对于不同跨径范围内，桥面恒荷载变化比较大能准确定义。
对于问题3，在视图选项中，点击实际形状时，程序输出横向内力（主缆水平分力），如下图：
图6 实际形状及横向内力
横向内力计算过程如下：
利用节线法求主缆初始坐标及初始横向内力，分为2步骤：首先根据桥面恒载值，等效为吊杆处的节点荷载，进行初次计算，得到相应的主缆坐标和横向内力；然后，考虑主缆和吊杆自重，再迭代分析（主缆坐标影响自重，自重反过来也影响主缆坐标），满足收敛条件，最后得到主缆的初始形状和初始横向力。
当曲线比较平坦时，可以用下式估算横向内力：
H=qL2
或H=
M c0
H—主缆水平力；
q—桥面等效均布恒荷载，计入主缆和吊杆自重；
f—主缆失高；
M c0—竖向荷载对跨中的总弯矩。
2 悬索桥初始平衡状态分析流程
使用悬索桥建模助手完成初始平衡状态分析时，建模助手内部经过2个子步骤。首先使用简化计算方法（节线法）进行初始平衡分析。该方法采用了日本Ohtsuki博士使用的计算索平衡状态方程式，是利用桥梁自重和主缆张力的平衡方程计算主缆坐标和主缆张力的方法。其基本假定如下：
(1) 吊杆仅在横桥向倾斜，垂直于顺桥向。
(2) 主缆张力沿顺桥向分量在全跨相同。
(3) 假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状。
(4) 主缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲梁的恒荷载等为已知量。
由于基本假设(3)，通过节线法确定的主缆初始线形可能与最终的实际线形有所差异，在自
结构动力特性的测试方法及应用(讲稿) 一. 概述 每个结构都有自己的动力特性，惯称自振特性。了解结构的动力特性是进行结构抗震设 计和结构损伤检测的重要步骤。目前，在结构地震反应分析中，广泛采用振型叠加原理的反 应谱分析方法，但需要以确定结构的动力特性为前提。n 个自由度的结构体系的振动方程如 下： [][][]{}{})()()()(...t p t y K t y C t y M =+? ?????+?????? 式中[]M 、[]C 、[]K 分别为结构的总体质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵，均为n 维矩阵； {})(t p 为外部作用力的n 维随机过程列阵；{})(t y 为位移响应的n 维随机过程列阵；{} )(t y &为速度响应的n 维随机过程列阵；{})(t y && 为加速度响应的n 维随机过程列阵。 表征结构动力特性的主要参数是结构的自振频率f （其倒数即自振周期T ）、振型Y(i)和 阻尼比ξ，这些数值在结构动力计算中经常用到。 任何结构都可看作是由刚度、质量、阻尼矩阵（统称结构参数）构成的动力学系统， 结构一旦出现破损，结构参数也随之变化，从而导致系统频响函数和模态参数的改变，这种 改变可视为结构破损发生的标志。这样，可利用结构破损前后的测试动态数据来诊断结构的破损，进而提出修复方案，现代发展起来的“结构破损诊断”技术就是这样一种方法。其最 大优点是将导致结构振动的外界因素作为激励源，诊断过程不影响结构的正常使用，能方便 地完成结构破损的在线监测与诊断。从传感器测试设备到相应的信号处理软件,振动模态测 量方法已有几十年发展历史，积累了丰富的经验，振动模态测量在桥梁损伤检测领域的发展 也很快。随着动态测试、信号处理、计算机辅助试验技术的提高，结构的振动信息可以在桥 梁运营过程中利用环境激振来监测，并可得到比较精确的结构动态特性（如频响函数、模态 参数等）。目前，许多国家在一些已建和在建桥梁上进行该方面有益的尝试。 测量结构物自振特性的方法很多，目前主要有稳态正弦激振法、传递函数法、脉动测试 法和自由振动法。稳态正弦激振法是给结构以一定的稳态正弦激励力，通过频率扫描的办法 确定各共振频率下结构的振型和对应的阻尼比。 传递函数法是用各种不同的方法对结构进 行激励（如正弦激励、脉冲激励或随机激励等）,测出激励力和各点的响应，利用专用的分 析设备求出各响应点与激励点之间的传递函数，进而可以得出结构的各阶模态参数（包括振 型、频率、阻尼比）。脉动测试法是利用结构物（尤其是高柔性结构）在自然环境振源（如 风、行车、水流、地脉动等）的影响下，所产生的随机振动，通过传感器记录、经谱分析， 求得结构物的动力特性参数。自由振动法是:通过外力使被测结构沿某个主轴方向产生一定 的初位移后突然释放，使之产生一个初速度，以激发起被测结构的自由振动。 以上几种方法各有其优点和局限性。利用共振法可以获得结构比较精确的自振频率和阻 尼比,但其缺点是，采用单点激振时只能求得低阶振型时的自振特性，而采用多点激振需较 多的设备和较高的试验技术；传递函数法应用于模型试验，常常可以得到满意的结果，但对 于尺度很大的实际结构要用较大的激励力才能使结构振动起来，从而获得比较满意的传递函 数，这在实际测试工作中往往有一定的困难。 利用环境随机振动作为结构物激振的振源，来测定并分析结构物固有特性的方法，是近 年来随着计算机技术及FFT 理论的普及而发展起来的，现已被广泛应用于建筑物的动力分 析研究中，对于斜拉桥及悬索桥等大型柔性结构的动力分析也得到了广泛的运用。斜拉桥或 悬索桥的环境随机振源来自两方面：一方面指从基础部分传到结构的地面振动及由于大气变 化而影响到上部结构的振动（根据动力量测结果，可发现其频谱是相当丰富的，具有不同的
第40卷第9期建 筑 结 构2010年9月 大跨极窄人行悬索桥动力特性及风振响应研究 熊耀清, 何云明, 吴小宾 (中国建筑西南设计研究院有限公司,成都610081) [摘要] 以一个跨度199m 、宽跨比仅1P 132,且地处峡谷的钢结构柔性悬索桥为工程背景,采用ANSYS 有限元软件进行了大跨极窄人行悬索桥动力特性及非线性风振响应研究。结果表明,该类桥的基本周期较通常的大型公路悬索桥明显偏短,采用抗风缆的抗风措施能够改变结构振型的排列顺序和改善结构抗风性能;采用基于线性滤波法的自回归(AR)模型应用MATLAB 模拟了考虑桥址风特性的水平及竖向脉动风时程,结果表明满足分析与设计需求;比较了水平及水平和竖向风工况下有无抗风措施时悬索桥的非线性风振响应,结果表明结构抗风性能满足安全要求。 [关键词] 大跨极窄悬索桥;动力特性;桥址风特性;非线性风振;抗风措施 Research on dynamic characteristics and wind vibration response of a pedestrian large -span and slender suspension bridge Xiong Yaoqing,He Yunming,Wu Xiaobin (Chi na South west Architectural Design and Research Institute Co.,Ltd.,Chengdu 610081,China) Abstract :Based on a steel truss flexible suspension bridge in mountainous area,which has the main span of 199m and the wide -span ratio of 1P 132,the dynamic characteristics and nonlinear wind vibration response of the pedestrian large -span and slender suspension bridge were analyzed by ANSYS.The resul ts indicate that the basic period of the bridge is shorter than that of general large high way suspension bridge obviously,and the wind fortification measures can change dynamic characteristic of the suspension brid ge and can increase its wind resistance performance.Considering the wind characteri stics of the bridge si te,the wind load history was simulated with AR model by MATLAB https://www.doczj.com/doc/2b10660184.html,pared the nonlinear wind vibration response with and wi thou t forti fication measures under horizontal and horizontal &vertical wind load,i t shows that the wind resistance performance of the brid ge is qualified when i t comes to safety requirement. Keywords :large -span and slender suspension bridge;dynamic characteristic;wind characteristics of the bridge site;nonlinear wind vibration;wind fortification measures 作者简介:熊耀清,博士,高级工程师,Emai l:xyq729730@https://www.doczj.com/doc/2b10660184.html, 。 0 引言 大跨度、窄桥面悬索桥造价低廉、施工方便,在我 国西部山区应用较多。因其上部结构刚度较小,对风敏感,且多建于风场复杂的峡谷、山口等特殊地形山区[1],导致结构所承受的风荷载不同于常规结构,从而对抗风设计提出了更高的要求。而现有的大跨悬索桥的风振响应分析都是基于大型公路桥梁[2,3],现行桥梁设计规范对于大跨极窄的人行悬索桥没有相关规定。为给该类悬索桥的抗风设计及施工提供基本数据,以某景区的人行悬索桥为工程背景,研究了其结构自身的动力特性及桥址处山区风特性,进行了详细的风荷载静力及非线性风振响应分析,并比较了采用加抗 风缆、栏杆、中央扣等抗风措施后悬索桥的抗风性能。1 工程概况 某悬索桥地处低山丘陵地带,山体呈V 形走廊,海拔高度650~700m,桥体横跨东、西两岸,桥面相对谷底的垂直高度约为100m 。该桥主要用于连接两岸,桥型 布置如图1所示。采用单跨钢结构柔性悬索桥形式,跨度199m,主缆间距115m,矢跨比1P 1312,宽跨比达1P 132,吊杆间距310m 。主缆为悬索桥主要承重结构,两端固定于锚碇,两岸桥塔为主缆提供中间支承(在塔顶设置主索鞍)。加劲梁及桥面系通过吊杆悬挂于主缆上,并在主塔处设置支座,提供支承,抗风缆通过抗风拉索与桥面横梁相连,并组成一个与铅垂面呈30b 夹角的平面。主缆采用2根7<38的平行钢丝束索,抗拉强度1770MPa;吊杆采用圆钢<40;抗风缆采用2根<44的钢丝束索,抗拉强度1770MPa 。桥面系包括加劲梁、桥面铺装、栏杆等,加劲梁为梁格体系,由纵、横梁及风联钢构(即桥面水平撑)焊接而成,纵、横梁分别采用工 字钢I14,I20,材质为Q345;桥面铺装为宽300mm 、厚80mm 松木板条,间缝10mm,木板采用锚栓与桥面纵梁连接,栏杆采用<50钢管,间距115m;桥塔为钢筋混凝 148
大跨径混合梁斜拉桥的动力特性分析 发表时间：2018-12-13T09:25:46.667Z 来源：《建筑模拟》2018年第27期作者：范晓杰 [导读] 本文以一个大跨径的混合梁斜拉桥为例，采用大型有限元分析软件madis civil建立模型，用子空间迭代法对模态进行求解，得出了自振频率、振型，并结合混合梁斜拉桥的结构特点分析其动力特性。 范晓杰 浙江省嘉兴市交通工程质量安全监督站 314000 摘要：本文以一个大跨径的混合梁斜拉桥为例，采用大型有限元分析软件madis civil建立模型，用子空间迭代法对模态进行求解，得出了自振频率、振型，并结合混合梁斜拉桥的结构特点分析其动力特性。在此基础上考虑分别在横向和纵向输入地震波，用反应谱法分析产生的影响。结果表明，前十阶振型中竖向振型较多，频谱较为密集，没有出现扭转振型，纵向、横向的振型耦联效应较小等，为目前其他同类型混合梁斜拉桥的动力特性分析研究提供参考。 一、工程概况 永川长江大桥主桥全长1008m，跨径布置为（64+68+68+608+68+68+64）m的7跨半漂浮体系混合梁斜拉桥，边跨设置1个过渡墩，2个辅助墩。索塔采用宝瓶型钢筋混凝土索塔，塔高分别为196.7m、207.4m。边跨为预应力PK断面混凝土箱梁，中跨也为同外形的PK断面钢箱梁，梁高3.5m，宽37.6m。拉索为双索面扇形构造，边跨11对索间距为10m，7对索间距为8m，主跨索间距为15m。 二、斜拉桥的动力特性分析 结构的动力响应取决于结构本身的动力特性和外部荷载的激励，所以在进行抗风稳定、抗震分析时往往得先进行自振特性分析。 采用子空间迭代法计算自振频率及相应的振型如表3.1所列。 表3.1桥梁的自振特性 一阶振型为纵飘，这是由于斜拉桥的设计主要考虑控制结构的横向和竖向变位，而允许纵向移动，很好的提高了桥梁的抗震能力。 二阶振型为主梁对称竖弯，主梁的竖弯也会引起桥塔的纵向弯曲，从表3.1中可以发现在前十阶振型中出现较多的主梁对称和反对称竖弯，因此在抗震设计中要着重考虑主梁的竖向和桥塔的纵向位移。 三阶振型为主梁对称横弯，这说明了主梁的横向刚度较小，抗风稳定性较差，在抗震设计中也应该注意控制。 结构的一阶对称竖弯、横弯振型出现在2、3阶，根据经验这符合大跨度斜拉桥的动力特性的一般特点。 表3.1中没有出现扭转振型，这符合双索面、箱梁布置的斜拉桥动力特性，抗扭刚度较大。 本桥的前十阶振型自振频率在0.0823～0.8684，说明结构的模态比较密集，在动荷载作用下许多振型容易被引起强烈的振动。 在前十阶振型中出现了很多的主梁竖向弯曲，这是由于混合梁斜拉桥中钢箱梁的刚度小于混凝土梁的刚度而引起的。 为了分析本桥的纵、横向的耦联效应，分别在纵向、横向输入地震波。考虑该桥所在区域抗震设防烈度为7度，场地类别为Ⅰ类，选择主梁的内力值进行分析，结果如表3.2所示，塔顶、跨中的位移如表3.3所示。 表3.2 主梁内力值分析结果 表3.3 塔顶、跨中位移值（单位：mm） 横向地震反应引起的主梁反应主要是y方向的剪力和弯矩，且混凝土梁的反应大于钢箱梁；而x方向、z方向的剪力及弯矩都较小。纵向地震反应时主梁x、z方向剪力及弯矩较大，说明在输入纵向地震反应时结构会产生竖向内力，混凝土梁的反应亦大于钢箱梁。
MIDAS做悬索桥分析(一) 一悬索桥初始平衡状态分析 悬索桥主缆在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态，在满足设计要求的垂度和跨径条件下，计算主缆的坐标和张力的分析一般称为初始平衡状态分析。这是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提条件，所以应尽量使初始平衡状态分析结果与设计条件一致。使用midas Civil中“悬索桥建模助手”功能，可以很方便的完成悬索桥的初始平衡状态分析。 1 建模助手 悬索桥建模助手图1 掌握各参数含义及使用注意事参考帮助说明文档，1是悬索桥建模助手设置对话框，图项。在使用该建模助手时，经常碰到如下疑问：）对于小跨径的人行索桥，没有边跨如何建模？1 ）桥面系荷载如何正确定义？2 ）横向内力如何计算？3 解决了上述疑问，才能正确的使用悬索桥的建模助手。 2的结构布置：1对于问题，即要实现如图 图2 无边跨悬索桥布置
在建模助手对话框中，通过设置主梁端点A1的坐标和边跨吊杆间距完成无边跨及吊杆的布置。 图3 无边跨悬索桥设置 有边跨无吊杆：A1的x坐标为a，左跨吊杆间距为a的绝对值； 无边跨：A1的x坐标为a，但a输入非常小的数值，例如-0.01，左跨吊杆间距为a的绝对值；对于问题2，定义桥面荷载有2种方法，如下图所示： 图4 单位重量法 图5 详细设置 方法1，定义单位重量荷载值，荷载类型为等效均布荷载，大小等于除主缆和吊杆自重外成桥恒荷载，主缆和吊杆自重程序会自动考虑。 方法2，勾选详细设置，荷载类型有点荷载和均布荷载，可以分别定义桥面左、中、右跨的成桥恒荷载（不含主缆和吊杆自重）。当使用点荷载时，程序将桥面恒荷载集中到吊杆上，每根吊杆承担的荷载值为相邻吊杆间距范围内的桥面恒载加上吊杆两端锚固处的恒荷载；当使用分布荷载时，分别定义桥面左、中、右跨等效均布荷载，对于不同跨径范围内，桥面恒荷载变化比较大能准确定义。 对于问题3，在视图选项中，点击实际形状时，程序输出横向内力（主缆水平分力），如下图：
【结构工程的软件时代】 结构工程已全面进入软件时代，结构工程师要从繁琐的重复劳动中解脱出来，培养结构概念和体系，锻炼结构整体思维。 《结构概念和体系》是国际著名的结构大师林同炎广为流传的著作。相信大多数从事建筑结构的工程人员都或多或少读过这本书。其实，这本书可以说是结构工程师的必修课。从事结构工作，很重要的一点就是在工作中培养结构概念体系和整体性思维的方法。这对于结构工程师来讲，是十分重要的。 如今的软件技术已相当发达，很多繁琐的工作都可以通过软件完成，甚至于智能化到了“一键式完成”的地步。设想，如果在软件再这么智能化而且功能强大下去，到时候，只要输入基本的设计参数和经济指标，按一个回车键，软件就将建筑方案设计、结构方案设计、施工图设计全部一条线完成出来了，那么对结构工程师来说不是一场灾难嘛。软件取代所有主要工作，技术人员不就要下岗了啊。所以，我认为，从一个角度来讲，结构工程软件时代的到来，意味着结构工程师的一场“危机”。如何在这场即将到来的危机面前“明哲保身”，做软件所不能做到的事情是很关键和重要的，什么最关键而重要，我认为就是结构的概念和体系思维，这个才是将来结构工程师的价值所在，而这恰恰是软件所难以做到的。 闲话暂放，言归正传。这篇博客将粗浅地探讨结构动力学问题的概念和体系问题。之所以关注结构动力学问题，一是因为结构静力学研究已比较成熟，林同炎前辈的《结构概念和体系》一书中已阐明很完善精辟了，二是因为现阶段工程结构抗震问题是研究的热点和前沿，这个时代里不懂工程抗震概念的结构工程师很难成为一个好工程师。 构件→结构→结构体系，整体性思维，需要工程实践的锻炼以及不断思考的积累。在实践中，反复向自己提问是培养结构概念的一个好方法。比如，问自己什么叫振型分解法？有哪些假定？什么叫时程分析法？有哪些优缺点？……这样积累下来，很多概念就越辩越明，结构的概念也就逐渐得到建立。 【结构动力分析的分类】 结构动力分析主要包括：特征值分析、反应谱分析、时程分析三大块。特征值分析也称结构自振特性分析，主要求解结构的自振周期和振型向量。反应谱分析基于振型分解反应谱理论，是一种工程上最常用的计算地震作用下结构动力响应方法，但这种方法只限于线弹性结构，弹塑性阶段振型分解法不再适用。时程分析包括线弹性时程分析和弹塑性时程分析两大类，与振型分解法的主要区别在于采用实测的地震波输入结构计算结构的响应，弹塑性时程分析具体还可分为静力弹塑性时程分析（也称Pushover分析）和动力弹塑性时程分析两类。 上述结构动力分析中，特征值分析和反应谱分析比较常用。而时程分析一般仅针对重要建筑以及体型非常复杂的建筑。小震水准下可进行结构线弹性时程分析，大震水准下需要采用结构弹塑性时程分析方法。现阶段，弹塑性时程分析还属于工程上比较前沿的分析内容，还属于一部分实力较强的设计院和科研机构的“专利业务”。当然，我认为随着结构技术人员水平的不断提高，以及软件技术的发达，结构弹塑性时程分析在将来将会越来越普及，甚至成为结构设计人员的“家常便饭”。 【特征值分析】 特征值分析也称结构自振特性分析，因为在数学上这个问题属于齐次线性方程组特征值的求解问题，故亦称特征值分析。其目的是求解结构的自振周期和振型。以前曾经碰到这样一个很有意思的概念问题：结构的阻尼比越大，那么结构的自振周期是减小还是增大呢？概念不清就很容易产生混乱。其实，结构的自振特性均是指无阻尼自由振动的特性值，因此不存在阻尼的影响问题。还有一个问题就是什么是振型？虽然我们经常提振型这个概念，不少人一时半会答不上来。从概念上讲，振型是结构发生无阻尼自由振动时各质点的相对位移，
大跨度斜拉桥动力特性分析Ξ 陈淮郭向荣曾庆元 (郑州工业大学土建系,郑州,450002(长沙铁道学院土木系,长沙,410075 摘要本文提出一种计算大跨度钢桁梁斜拉桥动力特性的方法。文中分别采用桁段 有限单元、空间梁元、空间杆元计算斜拉桥中桁架、桥塔、 拉索的刚度矩阵与质量矩阵, 采用子空间迭代法求解特征方程,所得结果可供设计参考。 关键词有限元法;斜拉桥;自振频率;振型 分类号U 44112 1引言 桥梁结构的动力特性包括自振频率及主振型等,它是桥梁计算的重要课题之一。桥梁结构的动力特性反映了桥梁的刚度指标,它对于正确地进行桥梁的抗震设计及维护,有着重要的意义。我国设计的某大跨度钢桁梁斜拉桥,这种桥型的自振频率和主振型的计算困扰着设计人员。钢桁梁斜拉桥是一个空间杆系结构,从理论上讲计算这种结构的空间振动自振频率及主振型并不是十分困难。然而,由于桥梁结构复杂,自由度很大,加上实际桥梁受结点及支座的约束等,完全由理论按空间梁元计算钢桁梁斜拉桥自振频率及主振型并不容易。本文探讨这种桥型动力特性的计算方法,对于桁梁、应用桁段有限元法,将桁梁取为桁段单元,每个桁梁节间断面有10个自由度。桥塔取为空间梁单元,每个结点有6个自由度。斜拉桥拉索取为空间桁元,分析了国内设计中的某特大跨度斜拉桥的自振特性。文中在形成结构总体刚度矩阵
及质量矩阵时,使用形成矩阵的“对号入座”法则〔1〕,能很简便地考虑桥门架、横联等局部构件的作用。数值算例表明,这种方法使用方便,结果可靠,结构自由度数可大大降低等优点,是斜拉桥动力分析的有效方法。 2计算模型及其主要假定 211桥梁简介 国内设计的某特大跨度钢桁梁斜拉桥为双塔双索面斜拉桥。主梁采用五跨连续钢桁梁,其中主跨跨长368米,主梁宽20米,主梁高1415米,总长864米;桥塔是一个钢筋混凝土框架,塔高113米,每塔有10对索与主梁相连,构成扇形索面,桥梁简图如图1所示。 212计算模型及主要假定 21211桁梁单元 钢桁梁斜拉桥是一个相当复杂的结构,为了减少自由度,主桁采用桁段有限元计算,在不失对桥梁结构主要因素研究的前提下,本文采用以下主要假定: 第14卷第1期 计算力学学报V o l .14N o.11997年2月CH I N ESE JOU RNAL O F COM PU TA T I ONAL M ECHAN I CS February 1997 Ξ河南省自然科学基金资助。 本文于1995年9月5日收到,1996年7月8日收到修改稿。
20-悬索桥分析(一)
MIDAS做悬索桥分析(一) 一悬索桥初始平衡状态分析 悬索桥主缆在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态，在满足设计要求的垂度和跨径条件下，计算主缆的坐标和张力的分析一般称为初始平衡状态分析。这是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提条件，所以应尽量使初始平衡状态分析结果与设计条件一致。使用midas Civil中“悬索桥建模助手”功能，可以很方便的完成悬索桥的初始平衡状态分析。 1 建模助手
图1 悬索桥建模助手 图1是悬索桥建模助手设置对话框，参考帮助说明文档，掌握各参数含义及使用注意事项。在使用该建模助手时，经常碰到如下疑问：1）对于小跨径的人行索桥，没有边跨如何建模？ 2）桥面系荷载如何正确定义？ 3）横向内力如何计算？ 解决了上述疑问，才能正确的使用悬索桥的
对于问题2，定义桥面荷载有2种方法，如下图所示： 图4 单位重量法 图5 详细设置 方法1，定义单位重量荷载值，荷载类型为等效均布荷载，大小等于除主缆和吊杆自重外成桥恒荷载，主缆和吊杆自重程序会自动考虑。 方法2，勾选详细设置，荷载类型有点荷载和均布荷载，可以分别定义桥面左、中、右跨的成桥恒荷载（不含主缆和吊杆自重）。当使用点荷载时，程序将桥面恒荷载集中到吊杆上，每根吊杆承担的荷载值为相邻吊杆间距范围内的桥面恒载加上吊杆两端锚固处的恒荷载；当使用分布荷载时，分别定义桥面左、中、右跨等效均布
荷载，对于不同跨径范围内，桥面恒荷载变化比较大能准确定义。 对于问题3，在视图选项中，点击实际形状时，程序输出横向内力（主缆水平分力），如下图： 图6 实际形状及横向内力 横向内力计算过程如下： 利用节线法求主缆初始坐标及初始横向内力，分为2步骤：首先根据桥面恒载值，等效为吊杆处的节点荷载，进行初次计算，得到相应的主缆坐标和横向内力；然后，考虑主缆和吊杆自重，再迭代分析（主缆坐标影响自重，自重反过来也影响主缆坐标），满足收敛条件，最后得到主缆的初始形状和初始横向力。 当曲线比较平坦时，可以用下式估算横向内力： H=qL2 或H= M c0
模拟环境对塔玛悬索桥动力特性的影响 摘要 为了达到结构健康监测的目的，结构在环境因素的影响下，去理解、模拟和补充环境变化对结构动力特性的影响是极其重要的。本文中，已经研究了从英国塔玛悬索桥中测得的加速度值，这些加速度值是用数据激励随机子空间系统识别方法处理的，并且用温度和风载对结构自振频率的影响进行了环境变量的模拟。本文应用了两种方法：1）基于有效识别环境效应所致的线性变化规律的主因子分析法(PCA) ；2）元模型法,这是一种通过多项式函数的组合变化来确定系统输入输出关系的纯数学方法。研究发现在所有环境因素中温度是影响桥梁自振频率最关键的因素。 引言 环境因素对土木结构自振频率的影响是导致结构健康监测技术只能应用于实验室而不能在实际工程结构中得到应用的主要原因。在实验室发展起来的损伤检测技术往往无法在具有实验室相同条件的现场发挥作用；作为衡量破坏敏感性的特征参数也通常对工作环境引起的结构动力反应变化很敏感，而这种情况在实验室是不会出现的。这一方面的研究在过去的几年中得到了很大的关注，处理这个问题的方法在Sohn的关于工作环境对结构健康监测的影响一文中有很好的阐述。 本文研究了环境因素对塔玛悬索桥自振频率的影响，尤其是温度和风速的影响。以前主要集中在温度变化对桥梁模态频率相关性的研究上，事实上，温度被认为是环境因素中对模态特性影响最主要的因素。进一步的研究已经转移到了风载对大跨度桥梁的影响。尤其是发现了日本的白鸟（Hakucho）悬索桥的自振频率随着风速的增加而降低，在此过程中没有考虑温度的影响。在文献[6]中对大跨悬索桥的重型车辆荷载的影响进行了研究,发现车辆荷载对大跨度桥梁的自振频率影响很小或者没有。 在本项研究中诸如交通荷载和湿度等环境因素被忽略，认为本论文所讨论的桥梁不会受到交通荷载的影响，由于桥址的原因，也认为湿度不作为考虑的因素。这篇文章的目的主要是确定促使所观察到的引起桥面日常自由振动的主要因素。 塔玛悬索桥 塔玛大桥（如图1）是一座跨度为643m的大跨度悬索桥，它跨越塔玛河，将康沃尔郡（Wornwall）的索尔塔什（Saltash）市与德文郡（Devon）的普利茅斯（Plymouth）连接在一起。自1961年建成后它成为两个地区的一个至关重要的交通纽带。这座桥具有对称几何形状的常规设计，主跨为335m，两个边跨为114m。钢筋混凝土主塔高达73m,采用沉井基础并直达岩面。主缆直径为350mm，每根主缆由31根钢丝捻成，并设置间距为9.1m的垂直钢索。加劲桁架为5.5米厚，由焊接的空腹箱梁组成。在2001年，按照欧盟指示对这座桥进行了加强和扩宽。尤其是采用了18根直径为100mm的预应力钢索对原来的悬索体系进行了补强，原来复合型的主桥面板被一个三车道的正交各向异性钢板代替，在桁架的每侧加上了单车道悬臂梁。 现在对塔玛悬索桥布置了几种监测系统。2007年菲尔德大学（the University of Sheffield）的振动工程科开始监测桥面板和缆索的动力响应。这个监测系统包括8个缆索
悬索桥分析时的一些注意事项 1）使用MIDAS/Civil分析悬索桥的基本操作步骤 a) 定义主缆、主塔、主梁、吊杆等构件的材料和截面特性； b) 打开主菜单“模型/结构建模助手/悬索桥”，输入相应参数（各 参数意义请参考联机帮助的说明以及下文中的一些内容）； c) 将建模助手的数据另存为“*.wzd”文件，以便以后修改或确认； d) 运行建模助手后，程序会提供几何刚度初始荷载数据和初始单元 内力数据，并自动生成“自重”的荷载工况； e) 对模型根据实际状况，对单元、边界条件和荷载进行一些必要的 编辑后，将主缆上的各节点定义为更新节点组，将塔顶节点和跨中最低点定义为垂点组； f) 定义悬索桥分析控制数据后运行。运行过程中需确认是否最终收 敛。运行完了后程序会提供平衡单元节点内力数据； g) 删除悬索桥分析控制数据，将所有结构、边界条件和荷载都定义 为相应的结构组、边界组和荷载组，定义一个一次成桥的施工阶段，在施工阶段对话框中选择“考虑非线性分析/独立模型”，并勾选“包含平衡单元节点内力”； h) 运行分析后查看该施工阶段的位移是否接近于0以及一些构件的 内力是否与几何刚度初始荷载表格或者平衡单元节点内力表格的数据相同； i) 各项结果都满足要求后即可进行倒拆施工阶段分析或者成桥状态 的各种分析； j) 详细计算原理请参考技术资料《用MIDAS做悬索桥分析》。 2）建模助手中选择三维和不勾选三维的区别？ a) 勾选三维就是指按空间双索面来计算悬索桥，需要输入桥面的宽 度，输入的桥面系荷载将由两个索面来承担； b) 不勾选三维时，程序将给建立单索面的空间模型，不需输入桥面 的宽度，输入的桥面系荷载将由单索面来承担。
结构动力特性的测试方法及应用(讲稿) 一. 概述 每个结构都有自己的动力特性,惯称自振特性。了解结构的动力特性就是进行结构抗震设 计与结构损伤检测的重要步骤。目前,在结构地震反应分析中,广泛采用振型叠加原理的反应谱分析方法,但需要以确定结构的动力特性为前提。n 个自由度的结构体系的振动方程如下: [][][]{}{})()()()(...t p t y K t y C t y M =+??????+?????? 式中[]M 、[]C 、[]K 分别为结构的总体质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵,均为n 维矩阵;{} )(t p 为外部作用力的n 维随机过程列阵;{})(t y 为位移响应的n 维随机过程列阵;{})(t y &为速度响应的n 维随机过程列阵;{})(t y && 为加速度响应的n 维随机过程列阵。 表征结构动力特性的主要参数就是结构的自振频率f (其倒数即自振周期T )、振型Y(i)与阻尼比ξ,这些数值在结构动力计算中经常用到。 任何结构都可瞧作就是由刚度、质量、阻尼矩阵(统称结构参数)构成的动力学系统,结构一旦出现破损,结构参数也随之变化,从而导致系统频响函数与模态参数的改变,这种改变可视为结构破损发生的标志。这样,可利用结构破损前后的测试动态数据来诊断结构的破损,进而提出修复方案,现代发展起来的“结构破损诊断”技术就就是这样一种方法。其最大优点就是将导致结构振动的外界因素作为激励源,诊断过程不影响结构的正常使用,能方便地完成结构破损的在线监测与诊断。从传感器测试设备到相应的信号处理软件,振动模态测量方法已有几十年发展历史,积累了丰富的经验,振动模态测量在桥梁损伤检测领域的发展也很快。随着动态测试、信号处理、计算机辅助试验技术的提高,结构的振动信息可以在桥梁运营过程中利用环境激振来监测,并可得到比较精确的结构动态特性(如频响函数、模态参数等)。目前,许多国家在一些已建与在建桥梁上进行该方面有益的尝试。 测量结构物自振特性的方法很多,目前主要有稳态正弦激振法、传递函数法、脉动测试法与自由振动法。稳态正弦激振法就是给结构以一定的稳态正弦激励力,通过频率扫描的办法确定各共振频率下结构的振型与对应的阻尼比。 传递函数法就是用各种不同的方法对结构进行激励(如正弦激励、脉冲激励或随机激励等),测出激励力与各点的响应,利用专用的分析设备求出各响应点与激励点之间的传递函数,进而可以得出结构的各阶模态参数(包括振型、频率、阻尼比)。脉动测试法就是利用结构物(尤其就是高柔性结构)在自然环境振源(如风、行车、水流、地脉动等)的影响下,所产生的随机振动,通过传感器记录、经谱分析,求得结构物的动力特性参数。自由振动法就是:通过外力使被测结构沿某个主轴方向产生一定的初位移后突然释放,使之产生一个初速度,以激发起被测结构的自由振动。 以上几种方法各有其优点与局限性。利用共振法可以获得结构比较精确的自振频率与阻尼比,但其缺点就是,采用单点激振时只能求得低阶振型时的自振特性,而采用多点激振需较多的设备与较高的试验技术;传递函数法应用于模型试验,常常可以得到满意的结果,但对于尺度很大的实际结构要用较大的激励力才能使结构振动起来,从而获得比较满意的传递函数,这在实际测试工作中往往有一定的困难。 利用环境随机振动作为结构物激振的振源,来测定并分析结构物固有特性的方法,就是近年来随着计算机技术及FFT 理论的普及而发展起来的,现已被广泛应用于建筑物的动力分析研究中,对于斜拉桥及悬索桥等大型柔性结构的动力分析也得到了广泛的运用。斜拉桥或悬索桥的环境随机振源来自两方面:一方面指从基础部分传到结构的地面振动及由于大气变化而影响到上部结构的振动(根据动力量测结果,可发现其频谱就是相当丰富的,具有不同的脉动卓越周期,反应了不同地区地质土壤的动力特性);另一方面主要来自过桥车辆的随机振动。
MIDAS/Civil悬索桥分析功能使用说明 资料制作日期：2006-8-9 对应软件版本：Civil 2006 1．使用MIDAS/Civil分析悬索桥的基本操作步骤 A.定义主缆、主塔、主梁、吊杆等构件的材料和截面特性； B.打开主菜单“模型/结构建模助手/悬索桥”，输入相应参数（各参数意义请参考联 机帮助的说明以及下文中的一些内容）； C.将建模助手的数据另存为“*.wzd”文件，以便以后修改或确认； D.运行建模助手后，程序会提供几何刚度初始荷载数据和初始单元内力数据，并自动 生成“自重”的荷载工况； E.对模型根据实际状况，对单元、边界条件和荷载进行一些必要的编辑后，将主缆上 的各节点定义为更新节点组，将塔顶节点和跨中最低点定义为垂点组； F.定义悬索桥分析控制数据后运行。运行过程中需确认是否最终收敛。运行完了后程 序会提供平衡单元节点内力数据； G.删除悬索桥分析控制数据，将所有结构、边界条件和荷载都定义为相应的结构组、 边界组和荷载组，定义一个一次成桥的施工阶段，在施工阶段对话框中选择“考虑 非线性分析/独立模型”，并勾选“包含平衡单元节点内力”； H.运行分析后查看该施工阶段的位移是否接近于0以及一些构件的内力是否与几何刚 度初始荷载表格或者平衡单元节点内力表格的数据相同； I.各项结果都满足要求后即可进行倒拆施工阶段分析或者成桥状态的各种分析； J.详细计算原理请参考技术资料《用MIDAS做悬索桥分析》。 2．建模助手中选择三维和不选择三维的区别？ A.选择三维就是指按空间双索面来计算悬索桥，需要输入桥面的宽度，输入的桥面系 荷载将由两个索面来承担； B.不选择三维时，程序将给建立单索面的空间模型，不需输入桥面的宽度，输入的桥 面系荷载将由单索面来承担。 3．建模助手中主梁和主塔的材料、截面以及重量是如何考虑的？ A.因为索单元必须考虑自重，因此建模助手分析中对于主缆和吊杆的自重，程序会自 动考虑； B.但在建模助手中主梁和主塔的材料和截面并不介入分析，程序只是根据输入的几何 数据，给建立几何模型，以便进行下一步的悬索桥精密分析。即，程序不会根据定
第七章结构动力特性试验 7.1概述 建筑结构动力特性是反映结构本身所固有的动力性能。它的主要内容包括结构的自振频率、阻尼系数和振型等一些基本参数，也称动力特性参数或振动模态参数。这些特性是由结构形式、质量分布、结构刚度、材料性质，构造连接等因素决定，但与外荷载无关。 建筑结构动力特性试验量测结构动力特性参数是结构动力试验的基本内容，在研究建筑结构或其他工程结构的抗震、抗风或抗御其它动荷载的性能和能力时，都必须要进行结构动力特性试验，了解结构的自振特性。 1．在结构抗震设计中，为了确定地震作用的大小，必须了解各类结构的自振周期。同样，对于已建建筑的震后加固修复，也需了解结构的动力特性，建立结构的动力计算模型，才能进行地震反应分析。 2测量结构动力特性，了解结构的自振频率，可以避免和防止动荷载作用所产生的干扰与结构产生共振或拍振现象。在设计中可以便结构避开干扰源的影响，同样也可以设法防止结构自身动力特性对于仪器设备的工作产生干扰的影响，可以帮助寻找采取相应的措施进行防震，隔震或消震。 3．结构动力特性试验可以为检测、诊断结构的损伤积累提供可靠的资料和数据。由于结构受动力作用，特别是地震作用后，结构受损开裂使结构刚度发生变化，刚度的减弱使结构自振周期变长，阻尼变大。由此，可以从结构自身固有特性的变化来识别结构物的损伤程度，为结构的可靠度诊断和剩余寿命的估计提供依据。 建筑结构的动力特性可按结构动力学的理论进行计算。但由于实际结构的组成，材料和连接等因素，经简化计算得出的理论数据往往会有一定误差。对于结构阻尼系数一般只能通过试验来加以确定。因此，建筑结构动力特性试验就成为动力试验中的一个极为重要的组成部分，而引起人们的关注和重视。 结构动力特性试验是以研究结构自振特性为主，由于它可以在小振幅试验下求得，不会使结构出现过大的振动和损坏，因此经常可以在现场进行结构的实物试验，正如本章所介绍的试验实例。当然随着对结构动力反应研究的需要，目前较多的结构动力试验，特别是研究地震，风震反应的抗震动力试验，也可以通过试验室内的模型试验来测量它的动力特性。 结构动力特性试验的方法主要有人工激振法和环境随机振动法。人工激报法又可分为自由振动法和强迫振动法。 人工激振法是一种早期使用的方法，试验得到的资料数据直观简单，容易处理；环境随机振动法是一种建立在计算机技术发展基础上采用数理统计处理数据的新方法，由于它是利用环境脉动的随机激振，不需要激振设备，对于现场测试特别有利。以上任何一种方法都能测得结构的各种自振特性参数，由于计算机技术的发展和数据分析专用仪器的普及使用，为各种方法所测得的资料数据提供了快速有效的处理分析条件。 7．2人工激振法测量结构动力特性 7．2．且结构自振频率测量 一、自由振动法 在试验中采用初位移或初速度的突卸或突加荷载的方法，使结构受一冲击荷载作用而产生自由振动。在现场试验中可用反冲激振器对结构产生冲击荷载；在工业厂房中可以通过锻锤、
文章编号:1671-2579(2010)04-0156-04 自锚式与地锚式悬索桥动力特性对比分析 王立峰,孙勇,王子强 (东北林业大学土木工程学院,黑龙江哈尔滨 150040) 摘 要:以朝阳市黄河路自锚式悬索桥主桥为研究对象,采用有限元软件M idas/Civ il 建立该桥的有限元动力计算模型。考虑重力刚度的影响,对该桥的动力特性进行计算分析,得到结构的自振频率和振型,同时建立与该桥结构参数完全相同的地锚式悬索桥模型进行对比分析,结合计算结果对自锚式、地锚式悬索桥的动力特性和刚度特点进行讨论。最后,在保证初始刚度不变的情况下,考虑不同结构参数变化对自锚式、地锚式悬索桥固有频率的影响,对结果进行分析。 关键词:自锚式悬索桥;动力特性;结构分析 收稿日期:2010-04-10 作者简介:王立峰,男,博士研究生,副教授.E-mail:co mputerw lf@126.co m 1 工程概况 朝阳市黄河路大桥位于朝阳市黄河路东段,向东跨越大凌河,与凤凰组团开发区相连。大桥全长508.32m,主桥为跨径326m 的预应力混凝土自锚式悬索桥,桥跨布置为73+180+73m ,设计荷载为城市 -A 级,人群荷载4.0kN/m 2,地震动峰值加速度为0.1g ,相当于7度,按8度设防,设计洪水频率1/100, 最高水位164.7m 。 2 有限元模型建立 利用有限元法分析桥梁结构时,有多种离散模型,常用的有空间梁单元法、板壳法、三维实体单元法及梁格法。综合考虑自锚式悬索桥的几何非线性影响,根据各构件的形式和受力特点,结构可离散为两种单元:索单元和梁单元。 3 结论 (1)第一次设计中腹板主拉应力虽然符合有关规范要求,但主拉应力较大,最大达2.44MPa,经过优化设计后,最大主拉应力已降至1.77M Pa,降低了27%。效果明显。成桥试验结果也证明了此点。(2)箱梁截面在中跨支点处顶板截面存在较大的剪力滞效应,剪力滞系数 t =1.61,在设计中应注意。(3)纵向预应力钢束尽量布置在靠近腹板的位置,可减小剪力滞效应带来的应力分布不均匀的影响。参考文献: [1] JT J 023-85 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设 计规范[S]. [2] 长沙市规则设计院.长沙市三汊矶湘江大桥结构施工图设计图纸[Z],2004. [3] 张士铎,邓小华,王文州.箱形薄壁梁剪力滞效应[M ].北 京:人民交通出版社,1998. [4] 张士铎,王文州.桥梁工程结构中的负剪力滞效应[M ]. 北京:人民交通出版社,2004. [5] 贺拴海.桥梁结构理论与计算方法[M ].北京:人民交通 出版社,2003. [6] 王焕定,吴德伦.有限单元法及计算程序[M ].北京:中国 建筑工业出版社,2004. [7] 张德锋,茅振伟,吕志涛.预应力混凝土结构裂缝控制及 其可靠性分析[J].工业建筑,2003(4). [8] 袁承斌,张德锋,刘桂荣,等.裂缝对预应力混凝土结构耐 久性影响的试验研究[J].工业建筑,2003(3). [9] 任明飞,胡迎新,郑机.东海大桥近岛段工程预应力混凝 土顶推连续梁的设计与施工[J].桥梁建设,2005(6).[10] 李承君,周世军.顶推法施工的曲线连续梁桥截面实测 应力分析[J].铁道工程学报,2005(2). 156 中 外 公 路 第30卷 第4期2010年8月
-悬索桥分析(一)
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MIDAS做悬索桥分析(一) 一悬索桥初始平衡状态分析 悬索桥主缆在加劲梁的自重作用下产生变形后达到平衡状态，在满足设计要求的垂度和跨径条件下，计算主缆的坐标和张力的分析一般称为初始平衡状态分析。这是对运营阶段进行线性、非线性分析的前提条件，所以应尽量使初始平衡状态分析结果与设计条件一致。使用midas Civil中“悬索桥建模助手”功能，可以很方便的完成悬索桥的初始平衡状态分析。 1 建模助手 图1 悬索桥建模助手 图1是悬索桥建模助手设置对话框，参考帮助说明文档，掌握各参数含义及使用注意事项。在使用该建模助手时，经常碰到如下疑问： 1）对于小跨径的人行索桥，没有边跨如何建模？ 2）桥面系荷载如何正确定义？ 3）横向内力如何计算？ 解决了上述疑问，才能正确的使用悬索桥的建模助手。
对于问题1，即要实现如图2的结构布置： 图2 无边跨悬索桥布置 在建模助手对话框中，通过设置主梁端点A1的坐标和边跨吊杆间距完成无边跨及吊杆的布置。 图3 无边跨悬索桥设置 有边跨无吊杆：A1的x坐标为a，左跨吊杆间距为a的绝对值； 无边跨：A1的x坐标为a，但a输入非常小的数值，例如-0.01，左跨吊杆间距为a的绝对值； 对于问题2，定义桥面荷载有2种方法，如下图所示： 图4 单位重量法
图5 详细设置 方法1，定义单位重量荷载值，荷载类型为等效均布荷载，大小等于除主缆和吊杆自重外成桥恒荷载，主缆和吊杆自重程序会自动考虑。 方法2，勾选详细设置，荷载类型有点荷载和均布荷载，可以分别定义桥面左、中、右跨的成桥恒荷载（不含主缆和吊杆自重）。当使用点荷载时，程序将桥面恒荷载集中到吊杆上，每根吊杆承担的荷载值为相邻吊杆间距范围内的桥面恒载加上吊杆两端锚固处的恒荷载；当使用分布荷载时，分别定义桥面左、中、右跨等效均布荷载，对于不同跨径范围内，桥面恒荷载变化比较大能准确定义。 对于问题3，在视图选项中，点击实际形状时，程序输出横向内力（主缆水平分力），如下图： 图6 实际形状及横向内力 横向内力计算过程如下： 利用节线法求主缆初始坐标及初始横向内力，分为2步骤：首先根据桥面恒载值，等效为吊杆处的节点荷载，进行初次计算，得到相应的主缆坐标和横向内力；然后，考虑主缆和吊杆自重，再迭代分析（主缆坐标影响自重，自重反过来也影响主缆坐标），满足收敛条件，最后得到主缆的初始形状和初始横向力。 当曲线比较平坦时，可以用下式估算横向内力： H=qL2 8f或H= M c0 f H—主缆水平力； q—桥面等效均布恒荷载，计入主缆和吊杆自重； f—主缆失高； M c0—竖向荷载对跨中的总弯矩。 2 悬索桥初始平衡状态分析流程 使用悬索桥建模助手完成初始平衡状态分析时，建模助手内部经过2个子步骤。首先使用简化计算方法（节线法）进行初始平衡分析。该方法采用了日本Ohtsuki博士使用的计算索平衡状态方程式，是利用桥梁自重和主缆张力的平衡方程计算主缆坐标和主缆张力的方法。其基本假定如下： (1) 吊杆仅在横桥向倾斜，垂直于顺桥向。 (2) 主缆张力沿顺桥向分量在全跨相同。 (3) 假定主缆与吊杆的连接节点之间的索呈直线形状，而非抛物线形状。 (4) 主缆两端坐标、跨中垂度、吊杆在加劲梁上的吊点位置、加劲梁的恒荷载等为已知量。