土_桩_结构相互作用对大跨悬索桥动力特性的影响研究

1、文章编号100228412(2006022*土2桩2结构相互作用对大跨悬索桥动力特性的影响研究王浩,李爱群,韩晓林,李枝军(东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室,江苏南京210096摘要本文以国内第一大跨桥梁润扬长江公路大桥南汊悬索桥为研究对象,基于大型有限元分析软件ANSY S 建立了该桥的三维有限元模型,其中采用质量2弹簧体系模拟了土2桩2结构的相互作用。以此为基础对润扬悬索桥的自振特性进行了分析,重点研究了土2桩2结构相互作用因素对大跨悬索桥动力特性的影响,与现场动力测试结果的良好吻合表明了有限元分析结果的可靠性。研究结果为大桥的损伤预警和状态评估奠定了研究基础。关键词大跨悬

2、索桥;动力特性;土2桩2结构相互作用;动力测试;健康监测中图分类号U448125;T U31113文献标识码AR esearch on E ffects of Soil 2pile 2structure I nteraction on Dynamic B ehavior of Long 2span Suspension B ridgeWang Hao ,Li Ai 2qun ,Han Xiao 2lin ,Li Zhi 2jun (Education Ministry K ey Laboratory o f Concrete and Prestressed Concrete Structure

3、 ,Southeast Univer sity ,Nanjing 210096,China Abstract :Runyang Suspension Bridge ,with a main span of 1490m ,is the longest bridge in China.In this paper ,a 32dimensional FE m odel for the bridge is established with finite element program ANSY S and the s oil 2pile 2structure interaction is simulat

4、ed by use of the mass 2spring m odel.Based on the FE m odel ,m odel analysis is carried out and the effects of s oil 2pile 2structure interaction on dynamic behavior of the long 2span suspension bridge are specially studied.Analysis results are proved to be reliable by the measurements of dynamic te

5、st.The results provide important research basis for damage alarming and health m onitoring of the bridge.K eyw ords :long 2span suspension bridge ;dynamic behavior ;s oil 2pile 2structure interaction ;dynamic test ;health m onitoring收稿日期2005210211;修订日期2006203227基金项目国家自然科学基金重大国际合作项目(50410133国家自然科学基金重

6、点项目(50538020国家自然科学基金资助项目(50378017东南大学优秀博士学位论文基金资助(Y B JJ05081引言随着大跨度桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化,大桥的安全运营成为关系到一个国家的交通、经济发展、军事乃至人民生命财产安全的重要问题。大型桥梁的健康监测技术也因此成为桥梁工程学科研究和发展的一个重要领域13。大跨桥梁结构的动力特性如固有频率、阻尼比、振型等,是评价结构整体性能的重要依据之一,是进行结构损伤预警、状态评估以及抗风抗震研究的基础45。大量研究表明,考虑土2桩2结构相互作用使得体系的动力特性与刚性基础上有所不同,主要表现为自振频率降低、阻尼增加、内力

7、及位移反应改变等67。因此,对采用桩基础的结构进行动力分析时,有必要将土2桩2上部结构所组成的体系作为一个整体来研究。润扬长江公路大桥由北汊斜拉桥和南汊悬索桥组合而成。其中南汊悬索桥为主跨1490m (中国第一,世界第三单跨双铰简支钢箱梁桥,中跨矢跨比为1:9196。两边垮长为470m ,边垮无吊索。主梁采用扁平流线型钢箱梁,梁高3m ,全宽3817m 。该桥南北锚碇均采用强大的重力式混凝土锚体,故可作固结处理。南北塔均采用群桩基础,单桩直径为<218m ,嵌入岩层,每个塔柱下顺桥向布设4排桩,每排4根,共16根,按嵌岩桩设计,要求嵌入微风化岩第28卷第2期2006年4月工程抗震与加固改

8、造Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingV ol.28,N o 12Apr.2006Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting April 2006大于3m 。因此需要研究土2桩2结构相互作用对大桥动力特性的影响。2空间有限元模型基于ANSY S 平台建立了该桥的空间有限元计算模型,如图1所示。其中,加劲梁、主塔、中央扣处理成梁单元;主缆和吊索等效为空间杆单元,主缆按吊杆的吊点进行离散,其弹性模量用Ernst 等效弹模公式进行计算。桥面铺装和栏杆质量采用M ASS21单元进行模拟

9、。根据设计图纸,耦合了主梁与主塔在横桥向、竖向以及绕顺桥向的转动自由度,主缆与塔顶自由度全部耦合,中央扣与主缆、加劲梁全部耦合,主缆底部固结 。图1润扬大桥悬索桥有限元计算模型采用J.Penzien 集中质量模型模拟土2桩2结构相互作用,其中承台和塔座的质量用M ASS21单元分别模拟,将整个承台区域设定为刚性区域。桩基础用空间梁元模拟。土介质用C OM BI N14单元模拟。模型的介绍及其中各项参数的确定方法详见文献7。3动力特性分析311有限元分析基于ANSY S 的非线性静力分析和模态分析功能,对润扬长江公路大桥悬索桥进行了自振特性分析。因为在恒载作用下悬索桥结构已具有较大的刚度(重力刚

10、度,分析过程中必须考虑结构的几何非线性。具体方法是将几何非线性对结构动力特性的影响作线性化考虑,即在非线性静力分析的基础上进行应力刚化,建立几何刚度矩阵,并在此基础上建立动力平衡方程进行求解6。表1列出了大桥部分以主梁和主缆振动为主的动力特性。图2列出了其中的一阶侧弯、竖弯和扭转振型图。表2列出了部分以主塔振动为主的动力特性。表中f m 、f 1、f 2分别表示实测频率、考虑和不考虑土2桩2结构相互作用时的计算频率。计算结果表明土2桩2结构相互作用的影响很小,故选f 2进行分析,频率误差:error =(f 2-f m f m 。312实测结果为了把握大桥结构的实际自振特性,为大桥健康监测系统

11、的建立提供依据,于2005年1月46日对润扬长江公路大桥南汊悬索桥的动力特性进行了测试8。测试时将箱梁主跨46等分,共选取47个测量断面,每一断面上按横桥、上游垂直、下游垂直三个方向各布置一个振动传感器。采用振动模态分析专用软件对全部信号进行整体分析,得到相关振动模态参数。润扬悬索桥部分动力特性实测结果见表1、表2、图3和图4。表1润扬悬索桥以主梁和主缆振动为主的动力特性f m (H z f 1(H z f 2(H z Error (%振型特点实测阻尼比(%0.05860.05360.0537-8.36一阶正对称侧弯 2.20.12210.11680.1173-3.93一阶正对称竖弯0.970

12、.14400.13990.1402-2.64一阶反对称竖弯 1.130.15870.14630.1466-7.62一阶反对称侧弯 1.180.16850.16210.1621-3.80二阶正对称竖弯 1.650.18800.19220.1922 2.23二阶反对称竖弯 1.10.23980.21830.2238-6.67一阶正对称扭转 1.590.30980.27930.2874-7.23一阶反对称扭转 1.010.34180.33830.3383-1.02三阶正对称竖弯0.660.37110.34110.3442-7.25二阶正对称扭转0.8第28卷第2期王浩,等:土2桩2结构相互作用对大跨

13、悬索桥动力特性的影响研究33Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting V ol.28,N o.22006表2润扬悬索桥以主塔振动为主的动力特性 f m (H z f 1(H z f 2(H z Error (%振型特点实测阻尼比(%0.35170.36490.3649 3.75横桥向弯曲 1.020.68380.66000.6602-3.45顺桥向弯曲0.991.06630.95420.9563-11.50顺桥向扭转0.761.5241 1.6121 1.6121 5.77顺桥向弯曲0.731.4185 1.6175 1.618212.

14、34横桥向弯曲2.1574 2.1713 2.17160.66横桥向弯曲 1.042.4236 2.2806 2.2908-5.48顺桥向扭转2.6319 2.6769 2.6937 2.35横桥向弯曲2.7720 2.6924 2.7034-2.47顺桥向弯曲图2润扬悬索桥部分振型图图3润扬悬索桥桥面部分测点振动响应频谱图图4润扬长江大桥悬索桥部分实测桥塔振型图34工程抗震与加固改造2006年4月Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting April 2006313分析与讨论以上研究结果表明:(1结构自振频率理论计算值和实测值较吻合,以

15、主梁和主缆振动为主的频率最大误差为8136%,以主塔振动为主的频率最大误差为12134%,说明了有限元模型的可靠性。(2土2桩2结构相互作用对大桥动力特性的影响很小,所列频率中最大相差219%,对应主梁的一阶反对称扭转振型,表明桩基础足够强大。(3大桥的第1阶扭转振型出现较晚,在多阶横弯和竖弯振型之后,计算频率为012238,同时理论分析结果表明扭转振动和横弯振动有耦合现象。(4大桥第1阶以主塔振动为主的振型出现较晚,其测试频率为013517,计算频率为013649,故在采用反应谱进行抗震分析时要引起注意。4结语本文对润扬长江大桥南汊悬索桥进行了自振特性分析,重点研究了土2桩2结构相互作用对大

16、桥动力特性的影响,结合现场实测获得了大桥动力特性的相关重要信息,为大桥的损伤预警和状态评估打下了良好的研究基础。研究结果表明:土2桩2结构相互作用对大桥动力特性的影响很小,分析中可不予考虑。作为润扬长江大桥悬索桥的初始理论模型,该模型将结合大桥实时监测得到的振动信息(如固有频率、阻尼比、振型等进行修正和完善,为大桥整体性能的评价提供科学依据。参考文献:1Bergmeister K,Santa U.G lobal m onitorin2g concepts forbridgesA.In:N ondestru2ctive Evaluation of Highways,Utilities,and P

17、ipe2lines I V,Proceedings of SPIEC.New port Beach,US A,2000.1425.2李爱群,缪长青,李兆霞,等.润扬长江大桥结构健康监测系统研究J.东南大学学报,2003,33(5:544548.3李兆霞,李爱群,陈鸿天,等.大跨桥梁结构以健康监测和状态评估为目标的有限元模拟J.东南大学学报,2003,33(5:562572.4王浩,乔建东.桥梁结构动力特性的有限元分析与试验研究J.公路交通科技,2004,21(6:7880. 5何旭辉,陈政清,黄方林.南京长江大桥动力特性研究J.桥梁建设,2003,(4:2325.6范立础.桥梁抗震M.上海:同济大学出版社,1997.7王浩,杨玉冬,李爱群,等.土2桩2结构相互作用对大跨度CFST拱桥地震反应的影响J.东南大学学报,2005,35(3:433437.8江苏省长江公路大桥建设指挥部,等.润扬大桥静动载试验报