异型钢管混凝土拱桥自振特性分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 异型钢管混凝土拱桥自振特性分析 摘要:桥梁振动特性是研究动力反 应抗震、抗风设计和车桥振动分析的 基础，也是进行其他动力学分析的起点。 本文以一地震灾区实际拱桥为研究对象, 基于不同的离散思想，建立起三种不同 的计算模式进行分析，对其计算结果进 行了分析比较。基于计算结果对这类桥 型的动力特性特点进行综合阐述，剖析 了结构动力特性的内在本质。 中国论文网 /2/view-12901175.htm 关键词: 异型；钢管混凝土拱桥； 有限元法；自振特性 Abstract: the bridge is the vibration characteristics of the earthquake, the dynamic responses-the wind resistant -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 design and the analysis to the bridge vibration, also is the starting point of the other dynamic analysis. This paper takes a earthquake disaster area actual arch bridge as the research object, based on different discrete ideas, set up three different calculation mode analysis of the calculation results are analyzed and compared. Based on the calculation results of this kind of bridges dynamic characteristics of comprehensive expounds characteristics, this paper analyzes the dynamic characteristics of the structure of the inner quality. Keywords: alien; Concrete filled steel tube arch bridge; The finite element method; Since the vibration characteristics 中图分类号：TU74 文献标识码： A 文章编号： 前言 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 钢管混凝土拱桥具有较大的跨越 能力，在已修建的钢管混凝土拱桥中跨 径在 100m 以上的占了一半以上1。随 着跨径的增大，对这类桥梁结构动力性 能的研究应引起重视。钢管混凝土组合 材料的动力性能与钢或混凝土等其他材 料不同，钢管混凝土拱桥中产生了一些 与传统的结构体系不同的新的结构体系， 体系的组合及异型化逐渐增多。该类桥 梁的基本动力性能、抗震性能、车震性 能及风震性能与传统桥梁不同，有必要 进行特别的研究。本文以一地震灾区实 际拱桥石棉新月拱桥为研究对象， 探讨了异型钢管混凝土系杆拱桥自振频 率及主振形的相关计算问题。 1 动力计算模型 1.1 拱桥结构设计 石棉县城北至西区大渡河桥（以 下称新月拱桥）为中承式钢管异型拱桥， 桥长 141.90m，桥面系宽 26.5m。桥面 系梁体为 C50 预应力混凝土单箱二室横 截面，共设置三道腹板，梁横桥向对称 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 布置；梁体顶板宽度 26.5m，底板宽度 12m，桥梁对称中心线处梁高 2.5m，顶、 底板厚 25cm，腹板宽 45cm。主跨拱肋 由通过端锚板相互连接的三根钢管组成， 三根钢管线型均为二次抛物线，一根外 径 1.8m 的主拱位于竖直平面内，计 算 跨径 135m，矢跨比为 1/4.5；两根外径 1.2m 的稳定拱由竖直平面向两侧旋转 18而成，计算跨径 113m，拱肋 平面内的矢高为 28.3895m。主跨侧斜腿 作为主拱拱肋一部分，与主梁固结，采 用钢筋混凝土结构，高度由拱座处的 5.5m 变化到上端的 3.5m，桥面上斜腿 宽度为 5.0m，桥面下斜腿宽度为 12m 与梁底同宽，采用 C50 混凝土，与主梁 固结段均采用实体结构。主、副拱肋之 间从跨中断面起设置间距 2.5m 的斜撑， 共 41 对，两片副拱肋间对称设置间距 5m 的横撑，共 21 道。下部结构共有 2 个拱座，2 个桥台，桥台部分坐落在拱 座上，拱座基础均为沉井基础。 1.2 有限元分析模型 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 1拱肋有限元模型不考虑钢管 对混凝土的套箍作用，基于换算截面 (等代刚度) 法，采用 MIDAS 软件自带 的钢管形-砼截面将钢管和混凝土换算 为钢截面。 2桥面系 根据桥面系结构特征， 采用传统鱼骨梁式模式进行模拟，并能 得到理想精度2。即将桥面系的刚度和 质量都集中在中间节点上，节点和边吊 杆之间处理为主从关系或采用刚臂连接。 3基础模拟因桥址处为类建 筑场地类型，基础刚性很大，故不考虑 土层一基础一结构间的相互作用，拱脚 处简单地以固结处理。 除上述主要构件及边界的模拟外， 吊杆及系杆均模拟为桁架单元，横、斜 撑模拟为空间梁单元，桥面系中的牛腿 以释放相应约束来简化模拟。可建立 MIDAS 有限元模型如下： 图 2.1 鱼骨梁模型 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 2 自振特性分析 2.1 模态分析 如上所述，建立新月拱桥的 MIDAS 空间模型（图 2.1）进行动力特 性分析；程序中将结构自重以集中质量 的方式转化为质量，同时计算方法采用 Lanczos(兰索斯) 算法，求得其前 50 阶 模态，并提取其前 10 阶模态加以分析 比较。前十阶自振频率及振型结果见表 2-1，前五阶振型图如图 2.2 图 2.6 所 示。 表 2-1 新月拱桥自振频率及振型 一览表 注：表中加粗数据为凸显该振型 的主振方向 图 2.2 第一阶振型图 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 图 2.3 第二阶振型图 图 2.4 第三阶振型图 图 2.5 第四阶振型图 图 2.6 第五阶振型图 2.1 新月拱桥动力特性述评 结构动力特性分析不仅是研究结 构其它动力问题的出发点，自振频率大 小是结构整体刚度的表征，其值由小到 大的排列，反映桥跨结构不同振型对应 的整体刚度抵抗对应模态失稳能力的排 序，故对结构动力特性的研究十分重要。 1.自振频率分析 结构基频较小。单孔拱为刚 性结构时实测统计的基本周期约 0.30.4s，本桥基本周期为 1.09 秒3， -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 故属较柔性拱结构。 振型较为密集。结构基频为 0.91Hz,第十振型频率为 3.98 Hz,在 3 Hz 的频率范围内分布了 10 个振型；在一 个不宽的频带上,许多阶振型都可能被激 起。故采用反应谱分析其地震响应时,振 型组合应采用完全二次组合(CQC 法)。 高阶振型贡献大。振型质量 参与系数4是由 E.L. Wilson 提出，用 以评价某个振型在整体方向上对计算加 速度荷载响应的重要性。新月拱桥前十 阶累计振型质量参与系数在个各方向均 不到 40%，因此高阶振型对拱桥的贡献 也不可忽视，用反应谱分析作地震响应 时,应取更多阶振型进行组合。 2.振型分析 前五阶振型的空间振动形态 比较分明，振形单纯，主要有侧倾振动、 竖向振动两种振动形式。从第六阶振型 开始出现振型耦合，振动形态较复杂； 六八阶振型均表现为两稳定拱独立于 主拱肋之外的反向振动。该特点是由本 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 桥稳定拱外倾的异化造型所决定，其受 力具有明显的空间效应；在动力激励下， 若此时三拱肋间的横向联系不够强将导 致稳定拱独立的空间振动。因此，设计 时注意横、斜撑优化设计，如强化拱顶 附近的横向联系或采用不同的横斜撑形 式以保证主副拱肋的整体稳定性。 第一振型为面外对称振型，第 二振型为面外对称振型，面内一阶（第 三振型）自振频率与面外一阶自振频率 之比值为 1.88，可见拱桥横向刚度远小 于面内刚度，拱桥横向刚度问题突出。 此时主梁刚度及边吊杆刚度对吊杆的 “非保向力效应 ”的发挥有着积极的作用， 增大边吊杆是提高拱桥横向刚度有效措 施。 与刚架系杆拱相比，由于新 月拱桥为拱梁组合体系，桥面板与系梁、 横梁固结在一起，而且桥面板宽为 26.5m，横向刚度很大，因此，它没有 出现桥道系独立于拱肋的振型，避免了 地震时的落梁问题，行车时的桥道系振 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 动的问题也将大大缓解。 3 结语 本文应用 MIDAS/Civil 软件对该 类型实桥模型简化为有限元模型，对该 桥进行全桥的动力特性分析，结果表明：