基于多尺度模型的空间Y型拱桥抗震性能分析.pdf

第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:北京市教育委员会项目()作者简介:韩 强()博士教授主要从事桥梁抗震与性能评价的研究:.通信作者:王利辉()工程师主要从事桥梁抗震与试验技术的研究:.文章编号:():./.基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析韩 强王朝进吴睿麒高鑫崇许 坤王利辉(.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京 .北京市市政工程设计研究总院有限公司北京.北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心北京 )摘 要:对建造在高烈度区大跨度桥梁其抗震安全性分析是桥梁设计中重要环节特别是对结构复杂的异形空间桥梁体系 杆系模型计算效率较高但不能反映关键构件局部受力和变形局部构件的边界条件确定困难而且难以准确模拟荷载传递过程不能满足实际工程需要而多尺度模型为兼顾计算精度和效率提供了可能 本文基于多尺度模型和杆系模型的方法对大跨度空间 型拱桥的动力特性进行分析验证了桥梁多尺度建模方法的精确性与可靠性在此基础上开展大跨度空间 型拱桥结构地震反应分析探讨了大跨度拱桥地震响应规律以及关键构件局部受力和变形特征对其抗震性能进行合理评估关键词:异型拱桥多尺度建模动力特性抗震性能中图分类号:文献标识码:(.):.:引 言近年来异型拱桥由于其美观性被广泛应用于城市建设同时因其桥型空间结构上的独特性使得结构世 界 地 震 工 程第 卷体系受力非常复杂空间效应突出桥梁设计极具挑战性 特别是建在高震区大跨度异形桥梁地震安全风险高超出现行桥梁抗震设计规定范围 大跨度异型拱桥抗震安全性受到桥梁工程师和工程抗震研究人员重点关注目前在桥梁结构的抗震分析中通常采用梁单元对整个桥梁进行建模分析即建立桥梁“脊骨梁”模型 这种方法能够得出桥梁整体动力特性、内力及应力分布 这种建模方法将一个复杂截面简化为一个点大大提高了计算效率然而无法获得桥梁某些关键部位的局部动力效应、应力集中、疲劳和断裂等情况 同时由于大跨度桥梁结构复杂和体量巨大如果根据结构实际情况进行全尺度精细化模拟(如采用实体单元或板壳单元)所建有限元模型的规模将非常庞大这对计算设备的计算容量、计算能力以及分析软件都有很高的要求这些要求在现阶段都难以实现 因此作为一种平衡精度和计算代价的有效途径多尺度仿真分析已逐步成为大跨度桥梁性能分析和评估的主流选择 许多研究人员对多尺度连接方法进行了探索和研究多尺度仿真分析核心是通过采用不同尺度的单元对大跨度桥梁进行模拟计算即对桥梁整体采用宏观模型(梁单元模型)对桥梁设计和受力较为复杂的局部关键部件建立微观精细模型(板壳单元或实体单元模型)通过采用不同单元之间合理的连接方式使得宏观模型与微观模型协同计算更准确高效的得出桥梁整体与局部构件受力情况本文以一座特大跨径空间 型拱梁组合体系桥为工程背景基于多尺度建模技术建立了该桥多尺度有限元模型并通过与杆系模型对比验证了多尺度建模方法的精确性与可靠性 采用时程分析法计算分析了大跨度空间 型拱桥结构整体和局部关键部件的地震响应对其抗震性能进行合理评估多尺度建模方法多尺度建模方法是通过不同类型和尺度的单元模拟结构不同部位以保证计算精度和效率的方法 不同尺度单元界面处的连接应确保在不损失宏观模型自由度的同时尽可能不增加微观模型的额外约束 目前工程结构中主要涉及三种单元连接方式:梁单元实体单元连接、梁单元壳单元连接和壳单元实体单元连接 事实上不同单元之间的连接原理基本相同本文将以梁单元模型与壳单元模型的连接来说明不同单元的连接原理本文通过 有限元软件采用耦合连接()命令中的动力耦合()方式连接梁单元模型与壳单元模型如图 所示以梁单元节点为主节点壳单元上所有节点为从节点通过耦合的方法将壳单元上所有节点的六个自由度均进行约束梁单元节点与壳单元面上节点之间的距离保持不变同时壳单元各个节点之间的相对距离保持不变保证梁单元节点与板壳单元节点之间的位移协调 图 耦合面三维示意图 图 耦合面节点位移协调示意图 .假定初始时刻位于交界面的梁单元节点 与交界面壳单元节点 坐标分别为()与()梁单元节点有三个平动自由度和三个转动自由度而板壳单元节点仅有三个平动自由度如图 所示因此基于平截面假定可得到梁单元节点位移向量()与板壳单元节点位移向量为()的控制方程如下:()()第 期韩 强等:基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析 ()式中:、和 为壳单元节点相对于梁单元节点 的坐标 和 分别为梁单元 的平动位移和转角多尺度建模实例.工程背景图 为廊坊市某空间 型拱桥示意图该桥主桥全长 跨径为 .上部结构由钢主梁、斜吊杆及 型拱肋三部分组成抗震基本设防烈度 度 主梁采用南北两幅分离式钢箱梁两幅之间采用横梁进行连接吊杆采用扇形斜向布置主梁上吊杆间距 全桥共有吊杆 对合计 根拱肋采用空间“”型变截面箱形钢拱肋拱肋侧面上下缘投影线为不共焦点的椭圆线空间 型拱肋的一端在中央隔离带处与主梁横梁连接下接中墩支座拱肋在拱顶处进行分叉将单拱肋分叉为双拱肋分叉处轴线夹角为.分叉后的双拱肋分布于主梁两侧通过拱脚的拱梁结合部与主梁连接 分叉后拱肋通过横撑保证其抗侧移性能 主梁和钢拱肋采用 钢材分叉后拱脚拱梁结合部分内部灌入混凝土采用 混凝土桥梁盖梁和桩基等采用 混凝土图 空间 型拱桥示意图.多尺度有限元模型图 桥梁多尺度模型.全桥多尺度模型由精细模型与杆系模型两部分组成 桥梁拱梁结合部位和拱肋分叉部位为该空间 型拱桥结构设计上的难点和要点结构形式复杂传统的杆系模型不能很好的模拟其结构力学特性因此对该部分进行精细化建模主梁和拱肋等其余部分采用传统杆系建模方法进行模拟如图 所示全桥多尺度模型共建立了 个节点 个梁单元个板壳单元 个桁架单元 个实体单元桥梁拱梁结合部位和拱肋分叉部位钢箱室部分采用三维板壳单元 进行建模桥梁拱梁结合部位内部灌入混凝土及与其相连的承台采用三维板实体单元 进行模拟如图 所示 主梁和拱肋等其余部分采用梁单元 模拟吊杆采用桁架单元 模拟 吊杆与主梁之间采用刚臂进行连接支座采用弹簧阻尼单元(/)进行模拟桩土作用采用 法等效土弹簧进行计算采用 连接单元模拟桥梁拱梁结合部位钢拱肋部分与内部灌入混凝土及拱梁结合部位相连的承台之间的接触关系均采用内置区域()方式进行模拟忽略钢板与混凝土之间的粘结滑移 基于上文提出的多尺度耦合连接方法进行桥梁精细模型与杆系模型连接保证结构不同尺度连接界面之间变形协调同时考虑到杆系元与板壳单元连接处截面进行了刚化处理为保证模拟准确性 型分叉处模拟长度取该节段设计长度两端各延伸一米的总长度世 界 地 震 工 程第 卷图 拱梁结合部位精细模型.图 拱肋分叉部位精细模型.杆系模型图 全桥杆系模型.为验证上述多尺度模型准确性建立了相同参数下的杆系模型即全桥均采用梁单元和桁架单元模拟与多尺度模型不同的是:拱梁结合部位拱肋与主梁大横梁之间采用绑定约束()拱肋单拱段与双拱段采用刚臂进行连接如图 所示 全桥共建立了 个节点 个梁单元 个桁架单元.空间 型拱桥动力特性对比桥梁的动力特性是指对桥梁自振动频率和主振类型进行计算分析是桥梁结构地震研究的基础 本文针对空间 型拱桥杆系模型和多尺度模型进行了动力特性分析结果见表 桥梁杆系模型与多尺度模型前五阶振型形状如图 所示 大跨 型拱桥低阶振型主要以受弯为主 多尺度模型和杆系模型同阶振型频率误差不超过 两种模型桥梁振型特点基本一致 总体来看:桥梁多尺度模型的动力特性与杆系模型相比并无明显差异表明此多尺度连接方法可以有效实现不同尺度模型之间的变形协调表 桥梁振型频率对比 振型杆系振型频率/多尺度振型频率/误差/杆系振型特点多尺度振型特点.拱肋横弯拱肋横弯.主梁竖弯主梁竖弯.主梁拱肋竖弯主梁拱肋竖弯.主梁横弯扭转主梁横弯扭转.主梁扭转主梁扭转.主梁拱肋扭转主梁拱肋扭转.主梁竖弯主梁竖弯.主梁拱肋扭转主梁拱肋扭转.主梁竖弯主梁竖弯.主梁拱肋扭转主梁拱肋扭转第 期韩 强等:基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析杆系模型振型多尺度模型振型图 桥梁两种模型前五阶振型形状.空间 型拱桥地震响应.地震波选取本文采用时程分析法对空间 型拱桥进行地震响应分析 对于时程分析来说合理的选择地震波对结构地震响应分析是非常关键的 本文中选取地安评报告提供的三条安评地震波(如图)进行桥梁地震动响应分析 地震波输入方向考虑纵向、横向、纵向竖向和横向竖向四种组合共计 种地震荷载工况其中:工况()为纵向加载工况()为横向加载工况()为纵向与竖向加载工况()为横向与竖向加载.主梁地震响应地震作用下空间 型拱桥主梁由于斜吊杆的水平分力作用主梁变形和内力最大处并未出现在主梁跨中等桥梁对称位置而是根据位移和内力响应的不同最大响对应位置也发生改变 因此根据主梁与吊世 界 地 震 工 程第 卷杆的位置分布设立了观测点如图 所示图 安评地震波加速度时程曲线.图 主梁观测点.对桥梁多尺度模型进行地震响应分析主梁位移与内力峰值响应见表 主梁最大位移与内力时程响应如图 所示 地震作用下主梁纵向位移最大处位于主梁 号观测点处在工况 时主梁纵向位移最大最大值为.主梁横向位移最大处位于主梁 号观测点处在工况 时主梁横向位移最大最大值为.主梁竖向位移最大处位于主梁 号观测点处在 工 况 时 拱 肋 竖 向 位 移 最 大 最 大 值 为.地震作用下主梁轴力最大处位于主梁 号观测点处在工况 时主梁轴力最大最大值为.主梁弯矩最大处位于主梁 号观测点处在工况 时主梁弯矩最大最大值为.主梁应力最大处位于主梁 号观测点处在工况 时主梁应力最大最大值为.在单向和双向组合地震动荷载作用下主梁的竖向位移最大横向位移次之纵向位移最小 这说明在地震作用下该异形拱桥结构以主梁竖弯振型为主这与地震作用下结构以低阶振型响应为主的规律一致由图 可以看出:桥梁杆系模型和多尺度模型主梁最大地震动时程响应曲线具有一定的相似性说明了多尺度模型能很好地反映桥梁主梁地震响应特征 不同的是:与杆系模型相比多尺度模型桥梁主梁地震响应幅值相对较小可能的原因是:桥梁多尺度模型将拱梁结合部位和拱肋分叉部位中的横隔板以及加劲肋等细节部件进行精细化建模对桥梁结构刚度模拟更为精确表 地震作用下桥梁主梁位移与内力峰值响应 工况纵向位移/横向位移/竖向位移/轴力/弯矩/()应力/().().().().().().().().().().().().第 期韩 强等:基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析图 地震作用下主梁最大位移与内力时程响应.拱肋地震响应与一般拱桥不同由于空间 型拱肋的横向不对称性以及斜吊杆水平分力的存在拱肋不仅承担较大轴向压力还要承担部分的弯矩作用导致拱肋分叉前单拱段拱肋与分叉后双拱段拱肋的受力状态存在巨大差异 由于该空间 形拱桥关于顺桥向对称在进行拱肋地震响应分析时仅列出拱肋单拱段和一侧双拱段的计算结果拱肋观测点位如图 所示图 拱肋观测点.地震作用下拱肋位移与内力峰值见表 拱肋最大位移与内力时程响应如图 所示 地震作用下拱肋纵向位移最大处位于单拱段 号观测点处在工况 时拱肋纵向位移最大最大值为.拱肋横向位移最大处位于双拱段 号观测点处在工况 时拱肋横向位移最大最大值为.拱肋竖向位移最大处位于双拱段 号观测点处在工况 时拱肋竖向位移最大最大值为.地震作用下拱肋轴力最大处位于双拱段 号观测点处在工况 时拱肋轴力最大最大值为 .拱肋弯矩最大处位于单拱段 号观测点处在工况 时拱肋弯矩最大最大值为.拱肋应力最大处位于单拱段 号观测点处在工况 时拱肋应力最大最大值为.综上所述地震作用下空间 型拱桥拱肋主要变形发生在单拱段 号观测点、双拱段 号及双拱段 号观测点处且拱肋横向位移最大竖向位移次之纵向位移最小这与桥梁低阶振型拱肋横向侧弯与竖向变形特点一致同时也暴露出该桥梁拱肋横向与竖向刚度尤其是拱肋横向刚度较为薄弱在抗震设计中应进行重点关注 由图 可以看出:桥梁杆系模型和多尺度模型桥梁拱肋最大地震动时程响应曲线吻合良好说明了多尺度模型能很好地反映桥梁拱肋地震响应特征世 界 地 震 工 程第 卷表 地震作用下桥梁拱肋位移与内力峰值响应 工况纵向位移/横向位移/竖向位移/轴力/弯矩/()应力/().().().().().().().().().().().().图 地震作用下拱肋最大位移与内力时程响应.拱梁结合段地震响应拱梁结合段起到连接双拱段拱肋、主梁和基础的重要作用结构受力复杂因此对其进行精细化建模分析 在板壳单元建模过程中不可避免的存在着由圆弧以及直角构造带来的某些微小单元的应力奇异现象但这些点对结构整体的应力响应不会带来影响在分析时对这些极微小单元做忽略处理由于该节段所处的特殊位置地震作用下其变形主要为拱梁结合段内大横梁中部竖向位移竖向位移云图及最大时程响应如图 所示拱梁结合段最大竖向位移响应值为.其余两个方向位移都较小仅为 此处不进行讨论地震作用下拱梁结合段最大应力出现在拱梁结合段内大横梁与拱肋部分连接部位地震作用下拱梁结第 期韩 强等:基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析合段应力云图及最大应力响应时程曲线如图 所示其最大应力响应值为.图 拱梁结合段竖向位移云图及最大位移时程.图 拱梁结合段应力云图及最大应力时程.拱肋分叉段地震响应拱肋分叉段起到连接拱肋单拱段与双拱段的作用结构形式与受力较为复杂因此对此处进行精细化建模分析 在板壳单元建模过程中不可避免的存在着由圆弧以及直角构造带来的某些微小单元的应力奇异现象但这些点对结构整体的应力响应不会带来影响在分析时对这些极微小单元做忽略处理地震作用下拱肋分叉段位移及应力云图如图 所示 由图 可知:拱肋分叉处最大纵向位移位于拱肋分叉段底部最大横向位移位于拱肋分叉段双拱侧起始位置内侧最大竖向位移位于拱肋分叉段最右侧位置内侧拱肋分叉段起到连接拱肋单拱段与双拱段的重要作用同时也因其独特的空间构造地震作用下在其分叉交点位处应力响应远大于其余位置 地震作用下拱肋分叉处最大纵向、横向、竖向位移与应力时程曲线如图 所示 由图 可知:拱肋分叉处最大顺桥向位移响应值为.最大横桥向位移响应值为.最大竖向位移响应值为.拱肋分叉段最大应力响应值为.图 地震动作用下拱肋分叉段位移与应力云图.世 界 地 震 工 程第 卷图 地震作用下拱肋分叉段最大位移与应力时程.结语本文针对某空间 型拱桥基于桥梁多尺度模型和杆系模型建模方法采用有限元仿真软件 分别建立杆系模型和多尺度有限元模型 通过两种模型桥梁动力特性对比分析验证了桥梁多尺度连接方法的正确性 采用时程分析法计算分析了单向地震动及双向地震动作用下空间 型拱桥整体和局部关键部件的内力、位移响应得出了空间 型拱桥桥梁地震响应规律及抗震薄弱部位主要结论如下:)本文针对空间 型拱桥建立的多尺度模型能够较好的反映结构的动力特性及地震响应特点相比于杆系模型能够更进一步的体现复杂部位的应力状态和损伤程度具有更高的计算精度)空间 型拱桥整体地震响应以主梁竖向弯曲和钢拱肋竖向、横向弯曲为主与桥梁低阶振型的变形特点较为一致)空间 型拱桥拱肋横向抗弯刚度较弱钢拱肋分叉部位交叉点与主梁和拱肋结合段处在地震作用下出现应力集中现象在设计应予以考虑参考文献:刘爱荣 禹奇才 宋瑞 等.地震作用下斜靠式拱桥的动力稳定性.深圳大学学报(理工版)():.()():.()徐文.大跨度外倾式不对称曲线拱桥力学特性仿真研究.成都:西南交通大学.:.()李勇 闫维明 陈彦江 等.三跨飞燕式异型钢管混凝土拱桥地震反应及控制.工程抗震与加固改造 ():.():.()孙正华 李兆霞 陈鸿天.大跨斜拉桥结构行为一致多尺度有限元模拟.中国公路学报 ():.():.()陆新征 林旭川 叶列平.多尺度有限元建模方法及其应用.华中科技大学学报(城市科学版)():.()():.()肖祥 鄢宇 何佳 等.大跨度斜拉桥多尺度有限元模型及其修正.华中科技大学学报(自然科学版)():.第 期韩 强等:基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析 ()():.()吴佰建 李兆霞 汤可可.大型土木结构多尺度模拟与损伤分析:从材料多尺度力学到结构多尺度力学.力学进展 ():.():.().():.李兆霞 孙正华 郭力 等.结构损伤一致多尺度模拟和分析方法.东南大学学报(自然科学版)():.()():.().():.():.牛辉 汪劲丰 张仪萍 等.空间曲线蝶形拱桥顶推施工的多尺度模拟分析.浙江大学学报(工学版)():.()():.().():.姜开明 刘杰 候振华 等.基于多尺度有限元法的独塔叠合梁斜拉桥关键梁段精细化分析.北方交通():.():.()秦伟亮 孙宗光 曲翔雨 等.基于多尺度模型的斜拉桥钢箱梁损伤分析与识别.大连海事大学学报 ():.():.()石永久 王萌 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