基于有限元的外倾式双索面矮塔斜拉桥动力特性参数敏感性分析.pdf

收稿日期:基金项目:山西交通控股集团有限公司科技项目()作者简介:关 伟()男陕西户县人教授级高级工程师文章编号:()基于有限元的外倾式双索面矮塔斜拉桥动力特性参数敏感性分析关 伟王奎涛宋 磊(山西省交通规划勘察设计院有限公司山西 太原)摘要:为研究外倾式双索面矮塔斜拉桥结构动力特性及影响该种桥型结构动力特性的参数敏感性本文基于浮山丞相河特大桥 外倾式双索面矮塔斜拉桥实例工程采用/有限元软件对实例工程进行建模在成桥状态工况下对主桥结构进行动力特性分析同时选取主塔外倾角度 、桥塔无索区高度 、桥塔纵桥向长度 等影响结构动力特性的参数进行对比分析得出影响结构动力特性的敏感参数可为同类型桥梁在结构设计时提供参考关键词:外倾式双索面矮塔斜拉桥动力特性振型中图分类号:.文献标志码:在车辆荷载、人群动荷载、风力及地震地面运动作用下桥梁结构会产生振动结构内力会增大结构振动会使结构局部产生疲劳损伤或会形成影响桥上行车的舒适及安全的震动变形和加速度严重时会使桥梁产生破坏 常规较为常见的矮塔斜拉桥桥塔形式是竖直桥塔其桥塔结构为面内受力结构而外倾式矮塔斜拉桥桥塔是一种新型的桥塔造型目前国内该类型桥塔造型较少 外倾式桥塔可以从美学上满足环境对桥梁的特殊要求造型独特、结构新颖、轻巧、灵动且易于与周围环境融为一体其景观性较强 桥梁结构的动力性能与结构体系、质量分布、刚度、约束条件等因素有关但外倾式桥塔结构受力为空间受力体系其结构动力性能更应关注本文以浮山县丞相河特大桥外倾式双索面矮塔斜拉桥为例对影响该种桥型动力特性的结构敏感性参数进行分析可为同类型桥梁在结构设计时提供参考 计算理论桥梁结构线性动力有限元三维自由振动方程以矩阵形式可表达为.()式中:、分别为结构总质量矩阵、总刚度矩阵 .、分别为结构加速度列向量、位移列向量 对于外倾式双索面矮塔斜拉桥分别建立桥梁总质量矩阵、总刚度矩阵则可得到该桥梁自由振动特征方程为 ()式中:为结构振动的特征值 为与 对应的特征向量及结构振型 结构动力特性常用求解方法有瑞莱法、李兹()法、渐进法、等值梁法、雅克比法、子空间迭代法等本文采用子空间迭代法求解结构的固有频率及振型 结构有限元模型分析丞相河特大桥主桥为双塔斜向双索面 矮塔斜拉桥跨径为 主桥结构支撑体系为塔梁墩固结方式、分联墩处设置盆式滑动支座主梁采用挂篮悬浇施工 主桥箱梁采用单箱双室直腹板截面桥面顶板宽 箱梁两侧翼缘宽第 卷 第 期 年 月兰州工业学院学报 .度各为 主梁顶板设置.的横坡箱梁底板水平 箱梁跨中梁高.主墩顶梁高 箱梁梁高及底板厚度按.次抛物线变化 斜拉索扇形锚固于箱梁两侧横肋的边缘位置索面呈外倾状 桥塔外观正立面呈 形主塔横向分左、右两肢上、中、下横梁连接桥塔左右两肢上塔柱与竖直方向成 夹角塔顶每肢横桥向宽.纵桥向宽 塔底截面横桥向按照 纵桥向按照 坡率变化 过渡墩采用与主塔下塔柱结构类似的双柱式矩形截面空心墩断面为单箱单室箱型结构主桥结构采用空间有限元计算软件 进行建模模型以顺桥向为 轴横桥向为 轴竖桥向为 轴 采用三维空间 节点 自由度空间梁单元模拟主梁、桥塔及桥墩等考虑主塔的 效应 采用桁架单元模拟斜拉索基础均采用群桩基础塔底、墩底与承台中心节点刚性连接承台底中心节点与桩基础刚性连接桩基础采用等代土弹簧模拟法进行等代土弹簧刚度采用 法计算 桥梁结构的刚度及质量分布均按实桥进行模拟全桥共划分 个单元 个节点主桥结构有限元模型如图 所示图 结构有限元模型 结构动力特性分析结构系统自由振动的频率和相应振型是结构体系的重要动力特征同时它对于求解结构的动力反应如抗震、抗风响应具有十分重要的意义 针对外倾式双索面矮塔斜拉桥结构固有振动考虑单因素影响下结构动力特性取主桥成桥状态对结构进行自振特性计算计算结构前 阶自振特性提取主桥结构线性动力计算模型前 阶代表性频率、周期如表 所示结构前 阶振型如图 所示表 结构自振特性振型阶数频率/周期/振型特征.主梁纵飘桥塔纵弯.桥塔、边墩与主梁对称横弯.桥塔、边墩与主梁反对称横弯.桥塔纵弯、主梁竖弯(对称).边墩纵弯图 结构振型 从表 和图()、()可以看出主桥成桥状态下结构纵向刚度小于横向刚度结构一阶振型表现为主梁纵飘及桥塔纵弯桥塔刚度在设计时应予以高度重视同时桥塔刚度在主梁悬臂施工阶段尤其在主梁最大悬臂阶段时更应重视 从结构 阶振型图可看出外倾式双索面矮塔斜拉桥主梁、主塔、斜拉索振动同步三者协同工作相互影响第 阶振型主桥主梁两边跨振动时通过斜拉索传递主塔及中跨同时振动 通过提取结构主梁扭转振型发现其结构扭转振型出现在第 阶说明外倾式双索面矮塔斜拉桥结构体系抗扭性能好 结构动力特性参数敏感性分析浮山县丞相河特大桥主桥桥塔外倾且高度大结构动力特性复杂 选取外倾式双索面矮塔斜拉桥桥塔外倾角度 、桥塔无索区高度 、桥塔纵桥向长度 等结构参数对其进行动力特性计算分别计算结构在成桥状态下的前 阶自振频率.桥塔外倾角度 桥塔两肢外倾角度 为 形主塔左右两肢与桥梁中心线的夹角以图 中模型为基准桥塔外倾角度 分别取、计算桥梁结构自振频率当桥塔外倾角 由 变化至 时分别提取桥塔不同外倾角度下桥梁的 阶代表性自振频率具体变化如表 和图 所示 由表 及图 可以看出随着桥塔外倾角度的增大结构各阶自振略有降低但降低幅度不大结构 阶自振频率减小幅度在.之第 期 关 伟等:基于有限元的外倾式双索面矮塔斜拉桥动力特性参数敏感性分析间 桥塔外倾角增大桥梁结构自振频率将降低结构自振周期将增大结构刚度降低从桥梁动力性能和桥梁造型美观等方面综合考虑桥塔塔肢外倾角度不宜过大表 桥塔不同外倾角度结构自振频率外倾角度/()自振频率 /第 阶第 阶第 阶第 阶第 阶.图 桥塔不同外倾角度结构自振频率.桥塔无索区高度 矮塔斜拉桥的桥塔高度是桥型结构体系中一个重要参数桥塔高度对斜拉索倾角影响较大一旦斜拉索有索区和拉索在主梁和桥塔上的间距确定后塔高的改变就会直接导致斜拉索倾角的改变 而斜拉索倾角又直接影响到矮塔斜拉桥主梁、主塔的结构受力桥塔高度是结构体系的重要参数 以图 中模型为基准桥塔无索区高度 分别取、计算桥梁结构自振频率当桥塔无索区高度 由 变化至 时分别提取桥塔无索区不同高度下桥梁的 阶代表性自振频率具体变化见表 和图 所示表 桥塔无索区不同高度结构自振频率无索区高度/自振频率 /第 阶第 阶第 阶第 阶第 阶.由表 和图 可以看出随着桥塔无索区高度的增大桥梁各阶自振略有变化 阶、阶频率随桥塔无索区高度增加而降低结构自振频率降低幅度在.之间当桥塔无索区高度在 时桥梁 阶频率基本稳定 阶频率随桥塔无索区高度增加而增加结构自振频率增加幅度在.之间 桥塔无索区高度越大斜拉索长度越长综合工程经济与结构安全、施工安全等因素桥塔无索区高度不宜过大图 桥塔无索区不同高度结构自振频率.桥塔纵桥向长度 以图 中模型为基准桥塔纵桥向长度 分别取.、.、.计算桥梁结构自振频率当桥塔纵桥向长度 由.变化至.时分别提取桥塔不同纵桥向长度下桥梁的 阶代表性自振频率如表 和图 所示表 桥塔纵桥向不同长度结构自振频率纵桥向塔身长度/自振频率 /第 阶第 阶第 阶第 阶第 阶.图 桥塔纵桥向不同长度结构自振频率 由表 及图 可以看出随着桥塔纵桥向长度的增大桥梁各阶自振略有变化 阶频率随桥 兰州工业学院学报 第 卷塔纵桥向长度增加而增加结构自振频率增加幅度在.之间主要是由于塔身纵桥向长度增大导致桥塔结构刚度增加所致 阶频率随桥塔纵桥向长度增加而减小结构自振频率降低.桥塔纵桥向长度越大主塔施工至最大悬臂状态时结构稳定安全系数增加桥塔纵桥向塔身长度增加对结构的稳定性是有效的综合工程经济与结构安全、施工安全等因素适当提高 型主塔塔肢刚度即可 结论)外倾式双索面矮塔斜拉桥梁结构体系扭转刚度较大横向刚度次之纵向刚度最小 )在设计外倾式双索面矮塔斜拉桥桥塔刚度时应引起重视桥塔纵桥向塔肢长度对结构的自振频率影响较大)外倾式双索面矮塔斜拉桥结构布局、质量分布是关键在结构动力特性表现的振型中应重点关注结构长周期振动、竖向振型、扭转振型长周期振动如桥塔形状、斜拉索布置形状、主塔与主梁相互约束条件墩台对主梁约束条件 竖向振型如斜拉索索距、主梁断面结构高跨比 扭转振型往往叠加在横向弯曲振动中横向抗风支座、桥塔形状、斜拉索布置形状是主要因素参考文献:李国豪.桥梁结构稳定与振动.北京:中国铁道出版社.陈从春.矮塔斜拉桥.北京:中国建筑工业出版社.吴游宇吴卫国文功启.高墩大跨 构桥动力特性有限元分析.武汉理工大学学报:自然科学版():.杨军朝关伟王毅斌.下承式悬链线钢管混凝土拱桥动力特性分析.山东交通科技():.项海帆.高等桥梁结构理论.北京:人民交通出版社.周念先周世忠.大跨桥梁设计构思.北京:人民交通出版社.(.):/.:(责任编辑:曾贤灏)第 期 关 伟等:基于有限元的外倾式双索面矮塔斜拉桥动力特性参数敏感性分析