下载文档原格式
大跨度斜拉桥动力特性实测摘要：为了研究某跨海大桥的半漂浮体系斜拉桥的动力特性，对该斜拉桥进行了动力特性实测，通过对实测信号的分析，得到该大桥的固有频率和阻尼比。
关键词：斜拉桥；动力特性；固有频率；阻尼比0引言斜拉桥由于其跨越能力大、结构新颖高效而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一【1】，特别是在跨江跨海大桥这面优势更加巨大。
随着科技的发展，从近年来所建的斜拉桥来看，斜拉桥的建造正在向着跨度越来越大，主梁越来越轻柔方向发展。
斜拉桥跨度增大，主梁轻柔导致其刚度变小，对桥梁在车辆荷载、风荷载和地震荷载作用下动力响应尤为敏感，严重的会引起桥梁结构的破坏。
因而有必要对其动力特性进行研究，为其抗震、抗风设计提供依据和参考，是一项很有意义的工作【2】。
1 工程概括某跨海大桥主桥为主跨780m的五跨连续半漂浮体系双塔双索面斜拉桥，其跨径布置为95+230+780+230+95=1430m。
索塔采用钻石型，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、和下横梁，塔柱采用空心箱型断面，采用C50混凝土，塔柱顶高程230.70m。
主桥斜拉桥钢箱梁含风嘴全宽38m，不含风嘴宽34.108m，中心线高度3.5m。
主桥斜拉索采用1670 MPa平行钢丝斜拉索，全桥共25×4×2=200根斜拉索。
2 测试系统简介为了分析大桥的动力特性，本次实测选取了4个加速度传感器。
分别测量大桥的竖向振动和横向振动，加速度传感器布置在跨中截面，传感器布置位置如图1。
由于此次没有布置扭转加速度传感器，故扭转加速度信号则由这两个竖向加速度信号的差值除以其横向间距28m。
加速度传感器采用北戴河兰德科技的BC00-19超低频振动传感器，其最低采样频率为0.1HZ；采集模块采用的是美国恩艾公司的NI-9234，其具有抗混叠滤波强、精度高等、4通道同步采集等特点。
另外，采用美国NI公司的LabviewSignlaExpress信号采集系统。
两种斜拉桥动力特性比较随着斜拉桥跨度的不断增大，结构刚度越来越柔，其在动力荷载作用下的动力特性和结构性能倍受工程界关注。
为获得与真实结构更为接近的动力特性，斜拉桥的动力计算模式的选用至关重要，本文以辰塔公路跨黄浦江大桥为工程背景，对混凝土斜拉桥两种不同的动力模型对结构的动力特性影响进行比较分析，以期为类似工程提供参考经验。
1.工程背景辰塔公路跨黄浦江大桥位于上海市松江区主城区的西南部，基本呈南北走向的辰塔公路上，是辰塔公路（D30 公路）跨越黄浦江横潦泾段的一个重要节点。
大桥为主跨296m的双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，桥梁跨径组合为48+77+296+77+48=546m. 桥面宽度34.6m，H型钢筋混凝土桥塔，承台以上塔高92.2m，桥面以上塔高76m. 主梁标准截面采用预应力混凝土双主肋断面，主梁宽度34.6m，顶面在车行道范围内设2.0% 双向横坡，布索区和人非混行道为平坡。
主梁中心高度2.8m，主梁肋处梁高2.55m，主梁梁高全桥不变。
桥梁总体布置图和主梁横断面尺寸如图1、图2所示.2.动力分析模型斜拉桥的动力分析模型应着重与结构的刚度、质量和边界条件的模拟，使其尽量与实际情况相符。
结构的刚度模拟主要指各构件的轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度的模拟，质量模拟主要指构件和附属物的平动质量和转动质量的模拟。
对于采用双主肋断面的混凝土梁斜拉桥来说，常用的动力分析模型有脊骨梁模型和三主梁模型两种形式。
以下将对这两种动力分析模型作一简要介绍。
2.1脊骨梁模型脊骨梁模型是动力计算中采用较多的一种模式，它将主梁处理为桥纵轴线位置的单根主梁，主梁的轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度和剪切刚度均集中到主梁上，主梁单元的节点与拉索节点采用刚臂进行连接，主梁质量可分配到主梁单元的两端节点上，并通过引入集中质量矩的形式来考虑主梁的扭转惯性。
脊骨梁模型比较好的模拟了原桥面主梁的刚度和质量，但对开口断面形式的主梁的约束扭转刚度不能充分考虑，因此需要对主梁的扭转刚度进行修正。
H型独塔双索面大跨度斜拉桥抗震性能研究H型独塔双索面大跨度斜拉桥抗震性能研究引言：近年来，随着交通网络的不断发展和人口的聚集，大跨度斜拉桥的建设需求不断增加。
抗震性能是大跨度斜拉桥施工和使用过程中的一个重要问题。
H型独塔双索面大跨度斜拉桥由于其独特的结构形式，在抗震性能方面具有独特的优势。
本文将对H型独塔双索面大跨度斜拉桥的抗震性能进行研究，以期为这类桥梁的设计和实施提供参考和借鉴。
一、H型独塔双索面大跨度斜拉桥的概述H型独塔双索面大跨度斜拉桥是一类特殊的斜拉桥。
其特点是主塔高度相对较低，横向和纵向索面呈现双面布置。
这种结构形式使得桥梁整体更加牢固和稳定。
在设计过程中，主塔和吊杆的选材和施工工艺也至关重要。
二、H型独塔双索面大跨度斜拉桥的抗震性能理论分析抗震性能是衡量桥梁质量的重要指标之一。
通过对H型独塔双索面大跨度斜拉桥的理论分析，可以评估其在地震作用下的性能。
1. 桥梁结构的刚度分析在地震作用下，桥梁的刚度对其抗震性能起着重要的作用。
H 型独塔双索面大跨度斜拉桥的双面索面布置使其具有更高的刚度，能够有效减小地震荷载对桥梁的影响。
2. 主塔的抗震设计主塔是整个桥梁结构的支撑点，其抗震设计对桥梁的抗震性能有着重要影响。
在设计过程中，应采用合适的抗震措施，如增加主塔的厚度和加筋等，以增强主塔的抗震性能。
3. 吊杆的选材和施工工艺吊杆是桥梁中起到连接主塔和索面的作用，因此其选材和施工工艺也对桥梁的抗震性能起到重要作用。
应选择高强度材料，并严格控制吊杆的安装质量，以确保桥梁在地震作用下的稳定性。
三、H型独塔双索面大跨度斜拉桥的抗震性能实验研究理论分析只能提供一定程度的参考，为了更准确地评估H型独塔双索面大跨度斜拉桥的抗震性能，需要进行实验研究。
1. 桥梁振动台试验通过在振动台上对桥梁模型进行振动试验，可以模拟地震作用下的桥梁结构响应，评估桥梁的抗震性能。
2. 数值仿真模拟利用有限元分析软件对H型独塔双索面大跨度斜拉桥进行数值仿真模拟，通过对桥梁结构在地震作用下的响应进行分析，评估其抗震性能。
文章编号:100926825(2008)3220304202双索面大跨度斜拉桥空间动力分析收稿日期:2008207201作者简介:马 宏(19762),男,工程师,国家开发银行陕西省分行,陕西西安 710075葛娟娟(19762),女,工程师,西安公路研究所,陕西西安 710064马 宏 葛娟娟摘 要:通过有限元建模,对某特大跨径双塔双索面斜拉桥在移动载荷激励、风致激励和地震激励下进行了空间动力分析,并给出其振动模态与激励耦合位移,建模过程与分析结果可供相关设计参考。
关键词:双索面斜拉桥,多种载荷激励,空间动力分析中图分类号:U448.27文献标识码:A0 引言斜拉桥结构轻巧柔细,在车辆运行、地震和风力作用下,必然会引起种种振动现象。
一般讲,对斜拉桥进行动力分析有三方面内容:1)抗风;2)抗地震;3)消除行车行人的不适感。
因此,对斜拉桥,特别是对大跨度斜拉桥进行固有振动分析和动力反应分析,掌握其动力特性是十分必要的。
而斜拉桥的动力分析也有平面和空间问题之分。
对于空间对称载荷作用的结构也可以转化为平面问题来计算。
对于单索面斜拉桥,它可以直接在平面模型中计算,但是对于双索面问题,特别是空间扭转问题,只有在空间模型中计算才能够更好地反映其真实的受力状况。
本文以某特大跨径双塔双索面斜拉桥为背景,分析空间斜拉桥结构在移动载荷激励、风致激励和地震激励下的动力响应。
1 计算模型及其假定1.1 结构模型国内某特大跨径双塔双索面斜拉桥,其主跨跨长360m ,边跨长174m ,桥宽为28m;桥塔为倒Y 形钢筋混凝土桥塔,塔高162m ,其中主塔的连接横梁长30m ,塔的倒Y 分叉点距桥面为60m ,塔底距桥面为30m ,塔底横桥向距离为20m ;斜索在主梁每6m 处布置一根,索塔处也布置横梁且被斜拉索吊住。
主塔从塔顶往下每隔18m 设置一个斜索张拉集中点,共分4个张拉点。
上面3个集中点每个单侧可以张拉7条索,第4个点张拉8条斜拉索,所以在单个主塔的每侧都有29条斜索,在塔上4个节点上张拉116条,还有在塔的倒Y 分叉点也张拉一条吊索,总计在塔上张拉117条。
1.2 建模假设采用大型计算分析程序ANSYS7.0进行计算,梁和塔全部使用Beam4单元,斜索用只受拉力作用的空间杆单元Link10。
采用空间鱼刺模型。
所有截面几何特性以及质量集中于桥的主梁上,横梁相对为刚性构件,只起到传递力的作用。
其他假设如下:1)主梁处于全飘状态,主梁在索塔处以及两个桥端都释放纵向约束;2)中、下塔柱使用一个梁单元模拟,上塔柱使用四个梁单元模拟,索塔横梁采用两个刚性单元模拟;3)移动载荷取为单个正弦常力情况;4)风载荷取为横桥向全截面作用的常振幅正弦力,在整个结构上每点风载荷都是同相位的。
风力方向垂直于主梁,且平行于桥面,最大风压大小取为4000N/m ,即p =50sin (1.5t ),主梁实际高度为3m ;5)地震载荷取横桥向和纵桥向双向作用的情况,采用瞬态动力分析的方法求解,不考虑阻尼地震波,采用桥梁地震反应分析数据;6)本文中考虑三种载荷耦合作用于有预应力的结构上的情况;7)瞬态动力分析需要先分步写激励数据文件步,如果有N 个载荷子步,那么就需要写N 个载荷文件。
这里每个子步时间间隔0.1s ,全桥长696m ,速度60m/s (相当于216km/h ),沿桥纵向共116个单元,117个节点,每个单元长6m ,总计将计算117步;8)瞬态分析将使重力场失效。
1.3 边界条件左桥端仅给予竖向和横向的平移自由度约束,右桥端仅给予横向的平移自由度约束,索塔底部完全约束,刚横梁在索塔处仅给予横向和竖向约束,索单元和梁单元给予完全铰约束。
2 模态与耦合位移计算2.1 模态计算前十阶频率计算值如表1所示。
表1 前十阶频率阶数频率值阶数频率值10.0964960.3363820.1260270.5059130.2706180.5129140.2714490.5284350.27188100.68576 前两阶振型模态如图1,图2所示。
2.2 激励耦合计算为了综合考虑3个方向的位移,采用U =U X 2+U Y 2+U Z 2计算总体位移变化规律。
跨中主梁节点位移计算结果如表2所示。
3 计算结果分析The design of prestressed concrete continuousT 2typed beam curved bridge of mountain highw ayK ONGLing 2feng L I Wei WU BingAbstract :The design technology of prestressed concrete continuous T 2typed beam curved bridge of mountain highway was introduced ,includ 2ing design standard ,structural design and construction design etc ,especially curve and substructure treatment on carst ,which provide refer 2ences for the similar engineering design.K ey w ords :mountain highway ,prestressed concrete ,T 2typed beam ,curved bridge ,simply supported 2to 2continuous ,structural design・403・第34卷第32期2008年11月 山西建筑SHANXI ARCHITECTURE Vol.34No.32Nov. 2008 表2 跨中主梁节点位移数据表m荷载步位移顺桥向横桥向竖桥向总体0.1 2.22E 207 4.90E 205 1.35E 2020.013460.29.76E 206 4.64E 204 4.56E 2020.0456180.3 1.06E 204 1.82E 203 4.68E 2020.0468470.4 4.87E 204 4.15E 203 4.91E 2020.0492610.5 1.26E 203 6.43E 203 4.27E 2020.0431750.6 2.23E 2037.12E 203 1.00E 2020.0124830.7 2.96E 2037.05E 203-9.81E 2030.012440.8 3.17E 2039.15E 203-4.55E 2020.0464750.9 2.86E 203 1.56E 202-6.05E 2020.0625641.1 1.77E 203 3.75E 202-5.33E 2020.0651891.2 1.39E 203 4.70E 202-2.82E 2020.0547861.3 1.10E 203 5.54E 202-4.42E 2030.0555671.48.97E 204 6.45E 202 2.83E 2020.0704671.5 1.06E 2037.73E 202 4.49E 2020.0894231.6 1.78E 2039.53E 202 4.49E 2020.1053441.7 3.19E 2030.118096 5.05E 2020.1284931.8 4.87E 2030.144212 3.58E 2020.1486671.96.34E 2030.1688611.67E 2020.169804 1)斜拉桥是个柔性结构,它的非线性也是无法回避的,特别是对于较大跨度和较小刚度的斜拉桥来说更是如此,非线性的影响可以达到20%左右。
斜拉桥的主塔和主梁是受压构件,当考虑了非线性影响后,它的刚度将减小,于是挠度也将变大,频率将变小,同时也可能会引起构件的屈服问题。
对于斜拉桥来说,它的非线性没有悬索桥那么强烈,可是有一个因素是在斜拉桥的非线性分析中必须要考虑的,那就是斜索的垂度问题。
由于斜索存在一定的垂度,故其弹性模量有所损失,现在可以用等效弹性模量来模拟实际斜索;2)斜拉桥之所以受力均匀,造价经济合理是由于它是多次超静定结构。
拉、压为主的构件将充分发挥材料的性能,这是比较理想的桥形;3)斜拉桥的结构动力响应的激励源有很多,包括风致激励、动载激励和地震激励等。
一般来说前两种激励对上部结构的影响较大,而地震激励则对下部结构的影响较大,但是上部结构的地震力对下部结构的影响也是不能忽略的,所以总体来说,对上部结构的这3种动力响应分析都是很有必要的;4)经过模态计算,观察结果可知,第一阶为主跨横向弯曲,第二阶为全桥纵向平移,第三阶～第五阶基本上是桥面载水平面内的弯曲,到了第六阶就开始变成竖向挠曲振动了。
一般来说纵飘发生在第一阶频率处,然而这里主跨横弯变成了第一阶,所以横向弯曲刚度是不够的。
总的来说纵飘处于横向和竖向运动的前面,横向运动处于竖向运动的前面,竖向挠曲刚度是三者中最小的;5)在地震激励、车辆激励和风载荷激励下得出了跨中主梁节点3个方向上随着时间变化的位移值,并计算出总体位移值。
总体位移值代表总的效应值,这个图形没有相位特性,但是它反映了节点总体位移大小随时间变化的情况。
4 结语从以上分析论述及实例计算可以看出,本文对大跨度双塔双索面斜拉桥进行空间动力分析的方法是可行的,并且能真实反映出空间斜拉桥结构在移动载荷激励、风致激励和地震激励下的动力响应结果。
参考文献:[1] 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.[2] 林元培.斜拉桥[M ].北京:人民交通出版社,2004.[3] 苏 成,韩大建,王乐文.大跨度斜拉桥三维有限元动力模型的建立[J ].华南理工大学学报(自然科学版),1999(11):55256.[4] 朱宏平,唐家祥.斜拉桥动力分析的三维有限单元模型[J ].振动工程学报,1998(1):49250.[5] 陈 淮,郭向荣,曾庆元.大跨度斜拉桥动力特性分析[J ].计算力学学报,1997(1):35236.[6] 李宏林.斜拉桥施工张拉索力的确定[J ].山西建筑,2007,33(17):3322333.A nalysis of special dynamic force of double rope surface bid sp an diagonal cable bridgeMA H ong GE Ju an 2ju anAbstract :According to limit unit building mould ,it analyzes the special dynamic force of a specially big span double tower double rope surface diagonal cable bridge in moving load drive ,wind 2cause drive and earthquake drive ,and gives displacement of vibrating mode and drive cou 2pling ,the process of building mould and analyzing result can provide reference for correlated design.K ey w ords :double rope surface diagonal cable bridge ,variety load drive ,analysis of special dynamic force・503・ 第34卷第32期2008年11月 马 宏等:双索面大跨度斜拉桥空间动力分析。
