高墩独塔部分斜拉桥动力特性分析.pdf

岩土工程界 第11卷 第1期探讨与分析 〔 收稿日期 〕 2007 - 5 - 28 高墩独塔部分斜拉桥动力特性分析 桂 勇 杜彦良 李延强 薛晓辉 石家庄铁道学院 摘 要 以某高墩独塔部分斜拉桥为研究对象,以有限元软件ANSYS为分析平台,对该桥的主梁、 桥墩、 主塔、 斜拉索等结构部件和边界条件进行了具体的模拟,在此基础上对该桥进行了动力计算,并 分析总结了该桥的振动特性。计算结果表明对于墩、 梁、 塔全部固结的部分斜拉桥结构,高墩对 全桥振型具有重要影响,可为同类型桥梁的设计、 施工过程中的动力分析提供参考价值,为进一 步的桥梁抗风、 抗震分析提供依据。 关键词 部分斜拉桥 动力分析 有限元模型 高墩 模态 预应力混凝土桥梁中,根据设计细则及预应力 损失,预应力筋的容许应力可以达到其极限应力的 60～70;而在斜拉桥中,斜拉索的设计应力只能 达到其极限应力的40～45。于是,在斜拉桥 中,工程师们设想用预应力筋来取代斜拉索,通过低 矮的桥塔将预应力筋拉出梁体,形式上很像斜拉桥, 部分斜拉桥便由此而生,它是介于连续梁桥和常规 斜拉桥之间的一种新桥型。 部分斜拉桥的设计思想最早由法国工程师 J. Mathivat提出, 1994年日本建成了世界上第一座 部分斜拉桥 小田原港桥;在国内,部分斜拉桥的 起步较晚,该桥型的建设始于2000年芜湖长江大 桥。 目前,国内外对部分斜拉桥的动力性能的研究 较少,至于系统性的研究还是空白。因此有必要对 部分斜拉桥结构进行动力特性分析,以便了解其动 力性质,从而为进一步研究斜拉桥结构在风荷载、 地 震荷载等动荷载作用下的力学行为打基础。 本文以在建高墩部分斜拉桥 仙神河斜拉桥为 研究对象,以ANSYS大型有限元软件为分析平台, 建立了该桥的动力分析模型,进行了动力特性计算, 并对计算结构进行了分析、 讨论,研究了高墩对斜拉 桥结构动力特性的影响,得出了高墩独塔斜拉桥的 一些动力特点,对同类型桥的设计和施工具有一定 的参考价值。 1 仙神河斜拉桥概况 仙神河斜拉桥位于山西省和河南省的交界处, 是太原 澳门高速公路晋城 济源段的控制性工 程,预计2008年竣工。仙神河斜拉桥为两跨高墩独 塔单索面双股钢筋混凝土部分斜拉桥,墩高 150107m,建成后将成为同类桥型的“ 亚洲第一高 墩 ”;桥全长331m,跨径布置为64m 引桥 131m 136m,桥总体布置如图1所示。 图1 仙神河斜拉桥总体布置图 主梁采用C55预应力钢筋混凝土,为单箱三室 斜腹板变截面梁,根部梁高11m,端部等截面梁段高 4m,梁高按1175次抛物线变化,变截面梁段长 10915m。箱梁顶宽26m,底宽10～141086m,悬臂板 长5m,顶板厚30cm,底板由由跨中30cm逐渐加大 到根部的150cm。 主墩采用C50钢筋混凝土,从承台以上到主梁 0号块以下高150107m,横截面采用正八边形空心 变截面形式,截面内切圆直径为墩顶10104m,墩底 16m,线性变化,壁厚112m。 主塔采用C55钢筋混凝土,从主梁往上高49m, 采用矩形倒角实心断面,截面尺寸为6m315m。 斜拉索采用平行钢绞线拉索,对称分布,共2 11对。每根索分两股,布置在中央分隔带内,梁上 72 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 探讨与分析GEOTECHN I CAL ENGI NEER I NG WORLD VOL. 11 No. 1 横向索距115m,纵向索距8m,塔上横向索距115m, 纵向索距112m。梁索锚固处设计了箱梁横隔板。 承台采用C30混凝土,为30306 m 3 的大 体积混凝土。承台与桥墩之间采用了一个4m高的 过度段。承台下为5 5 根直径2m、 长29m的桩 基础。基础场地土为 Ⅰ 类土。 2 斜拉桥有限元模型建立 [1 ] 计算模型是结构数学和物理的代表,是结构分 析的基础,故模型是否能真实反映结构的特点和受 力特性直接关系到计算结果的精确与否 [2 ]。建模 总的原则是结构的抽象和简化应保持结构的刚度和 质量的等效性及其空间分布,支承条件要较真实地 反映结构的工作行为 [3]。对动力模型而言这三方 面直接决定了结构的动力特征,而桥梁结构的动力 特性是车桥耦合振动及桥梁抗震、 抗风计算分析的 基础,故桥梁建模时对上述三点的处理是否恰当至 关重要。这其中结构的刚度主要为杆件的轴向刚 度,弯曲刚度,剪切刚度,扭转刚度,有时包括翘曲刚 度的模拟以及各杆件间的相互连接刚度,结构的质 量主要指杆件的平动质量和转动惯量,边界条件的 模拟应和结构的支承条件符合,主要考虑支座的形 式,基础的形式等 [4 ]。本桥建模只考虑主桥的模 型,主桥和引桥的链接按边界条件处理。 211 主梁 主梁模型主要有单主梁、 双主梁、 三主梁和空间 板壳、 梁板模型等。本桥采用三维梁单元BEAM88 模拟 [5 ]的单主梁“ 脊梁骨 ” 模型 ,其特点是主梁的刚 度与质量系统是正确的,单元数较少,但不能考虑主 梁约束扭转刚度的影响,适用于扭转刚度较大的全 封闭箱梁单室或多室结构。采用自定义梁截面, 单元长度为015m,每一段都近似为等截面梁。 由于本斜拉桥采用墩梁塔固结体系,在0号块 形成了一个刚性节点区,在使用BEAM188杆系单 元模拟时会产生刚度失真,可使用刚性材料法进行 修正 [2, 6 ]。本模型将节点区的弹性模量扩大 1000 倍,同时垂直桥平面的抗弯惯性矩缩小1000倍,以 模拟刚性区的工作状态。 212 横梁 箱梁中在斜拉索锚固点处、 梁端头处、 零号块两 侧设有横梁,横梁也采用BEAM188单元模拟,采取 刚臂形式,按横梁实际尺寸定义刚臂截面,但容重置 零,横梁的质量采用点质量单元MASS21加在主梁 的节点上。 213 墩塔 塔单元的划分不宜太粗,因为单元划分的粗细 决定了堆聚质量的分布、 振型的形状和地震力的分 布 [7 ]。断面变化处 ,索锚固点都作为自然的单元节 点。本桥主墩和主塔均采用BEAM188单元模拟, 其变截面处理和建模过程与主梁类似。桥墩顶部有 5m高的实心段,采用MASS21质量单元来模拟。 214 斜拉索 斜拉索就采用L I NK10单元模拟,每一根索双 股为一个单元,共22个单元。为了保证斜拉索的 空间位置角度和长度正确,梁索锚固点与主梁节 点并不重合,而是另外选取节点,再使用自由度耦合 模拟斜拉索节点与主梁锚固处节点相连。斜拉索采 用了Ernst公式修正的弹性模量,并计入了初应变 的实常数。 215 边界条件 本桥基础呈刚性,为简单起见直接固定墩底单 元。主梁两边使用了D160型钢伸缩缝,采用一维 弹簧单元COMB I N14来模拟,弹簧的初始刚度确定 如下参照汕头海湾大桥的资料,取伸缩缝每延米的 抗推刚度为450kNm - 1 ,本桥宽26m,故整个伸缩 缝的刚度K 450 kNm - 2 26m 11700kN m - 1。综上所述 ,本桥有限元动力模型如图2所示。 图2 仙神河斜拉桥有限元模型 3 计算结果 在以上建模的基础上,进行了全桥动力特性的 计算分析。全桥前10阶频率结果见表1,限于篇 幅,本文只附上了一些较典型的振型图 3 。 从计算分析结果可以看出,仙神河斜拉桥的动 力特性具有以下的特点 82 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 岩土工程界 第11卷 第1期探讨与分析 表1 全桥前10阶自振频率及相应振型特点 序号 频率/Hz振型描述 10141318全桥面外1阶对称侧弯 20178907全桥面外1阶反对称侧弯 30185377主梁2阶反对称竖弯主墩塔面内1阶侧弯 4117688主梁2阶侧弯与对称扭转耦合墩塔面外2阶侧 弯 5117966主梁2阶侧弯与反对称扭转耦合墩塔面外2阶 侧弯 6118166主梁3阶对称竖弯墩塔竖向拉压 7210235主梁4阶面内反对称竖弯墩塔面内2阶侧弯 全桥面内纵飘 8217355主梁2阶面外侧弯扭转耦合墩塔面外3阶侧弯 9310115主梁4阶面内反对称竖弯墩塔面内3阶侧弯 全桥面内纵飘 10310305主梁2阶面外反对称侧弯扭转组合墩塔面外3 阶侧弯 图3 全桥前四阶振型 1全桥第一阶频率为0141318Hz,即周期为 2142s 5s 。可见,部分斜拉桥的自振 特性与一般的斜拉桥有明显的不同,并向连续梁桥 刚构靠拢,这是由它本身的结构和受力特点决定 的。 2此桥第一阶振型表现为全桥侧弯,这主要 是由桥梁的结构形式所决定的本桥为高墩独塔固 结体系,墩身高,墩身刚度相对于主梁和主塔较小, 因而第一振型表现为高墩侧弯,从而引起全桥侧弯。 由此也可以看出对于高墩桥梁体系而言,高墩的柔 性对全桥的振型具有很大的影响。这一振型对主桥 的横桥向地震反应起控制作用,在地震反应分析时, 应考虑横向地震动的输入。 3从振型特点可以看出,此桥自振特性表现 出明显的三维性和相互耦合性,墩、 梁、 塔、 索的振动 互相影响。由于高墩参与振动耦合,因此,在桥梁的 车桥耦合分析、 抗风、 抗震分析中,应充分考虑该墩 的影响。 4扭转振型出现较早,并且次数也比较多,第 四阶振型即含有扭转成分,前十五阶振型中就有七 阶振型包含扭转,这是因为虽然箱梁本身的扭转刚 度较大,但由于高墩的影响,箱梁的扭转振型与其面 外侧弯、 墩塔的面外振动强烈耦合,并不存在纯扭转 的情况。 5本斜拉桥在第7、9和11阶出现了纵飘振 型成分,主要的原因是尽管仙神河斜拉桥的高墩、 矮 塔和主梁全部固结,但在主梁两端采用了D160型 钢伸缩缝,从而使得桥梁结构体系在顺桥向可以发 生位移的缘故。 4 结论 结构的自振频率是结构本身一个基本而重要的 参数,结构的模态分析是后续结构动力分析如抗 风、 抗震等的基础。本文以仙神河部分斜拉桥为 研究对象,运用ANSYS有限元软件对其进行了模态 分析,指出部分斜拉桥的基本振型属于短周期范 畴,更接近连续梁桥;在固结体系中高墩对全桥振 型,尤其是对一阶振型具有较大影响。本文可为该 桥后续的抗震、 抗风分析提供参考,同时也为同类型 桥梁的设计和施工计算提供参考。 参考文献 [1 ] 谭长建,等. ANSYS高级工程应用实例分析与二次开发[M ]. 北京电子工业出版社, 2006 57 - 110. [2 ] 周毅姝,杜喜凯,等.大跨度斜拉桥三维动力有限元建模方法 的研究[J ].河北河北农业大学学报, 2005, 282 112 - 115. [3 ] 公路桥梁抗风设计指南编写组.公路桥梁抗风设计指南[M ]. 北京人民交通出版社, l996. [4 ] 范立础.桥梁抗震[M ].上海同济大学出版社, 1997. [5 ] 胡晓伦,陈艾荣.用BEAM18x单元替代三主梁力学模型[J ]. 交通与计算机,20063 52 - 56. [6 ] 杨咏昕,等.桥梁结构动力分析中节点刚性区问题的处理[J ]. 土木工程学报,2001,34 1 14 - 18. [7 ] 尹晓明,朱益民,等.斜拉桥动力模型分析[J ].铁道标准设计, 200310 38 - 39. 第一作者通讯地址石家庄市北二环东路17号石家庄铁道 学院研30信箱 邮编 050043 92 1994-2008 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.