岳阳洞庭湖大桥模型动力特性分析-

1、文章编号:1671-2579(200206-0066-04岳阳洞庭湖大桥模型动力特性分析陈常松1,2,颜东煌1,陈政清2(1.长沙交通学院,湖南长沙410076;2.中南大学土木建筑学院摘要:介绍了岳阳洞庭湖大桥模型桥的动力计算模式的选取方法,在相似分析的基础上,分析了实桥、理想模型桥、实际模型桥的计算方法,分析了索塔、斜拉索的附加质量对模型桥动力特性计算的影响程度,并且探讨了边墩刚度的模拟取值对模型桥的影响,为模型桥的模态试验方案提供了理论依据。关键词:动力特性;相似分析;模态试验!概述岳阳洞庭湖大桥主桥为一座三塔全漂浮体系的空间双索面斜拉桥,为了全面研究三塔全漂浮体系斜拉桥的动力性能,检验

2、设计,为地震反应分析提供计算依据,在岳阳洞庭湖大桥模型上进行动力特性试验是非常有意义的。在模型桥的动力试验中,要求模型桥与实桥之间首先满足两种基本的相似,即几何相似和运动学相似,模型采用1130的缩尺比,全铝合金分段铸造,为目前国内最大的一座室内斜拉桥模型。关于洞庭湖大桥模型试验的动力相似分析、计算参数以及总体设计情况参见文献1和2。"模型桥的动力特性".!动力计算模型洞庭湖大桥模型桥动力计算模型采用空间有限元分析模式。计算模式选取的关键在于模拟结构的刚度、质量分布和边界条件。结构的刚度模拟主要指杆件的轴向刚度、弯曲刚度、剪切刚度、扭转刚度,有时也包括翘曲刚度的模拟以及边界

3、上支座刚度的模拟等等。结构的质量模拟主要指杆件的平动质量和转动质量的模拟,由于平动运动的特点,平动质量可以在某一面内采取堆聚质量或一致质量来处理,而转动质量由于惯性力与质量分布的距离有关,因此必须根据主梁或索塔截面的形状特点来模拟。边界条件的模拟应该与结构支承状况相符,如根据边墩形状、支座形式模拟边墩单元和单元刚度。".!.!主梁由于洞庭湖大桥的主梁采用典型的!型断面,因此采用目前动力计算中使用最多的“鱼脊梁”模型。模型模拟了主梁的纵肋、桥面板和横梁,桥面系的刚度(竖向、横向和扭转刚度和质量(平动质量和转动质量都集中在中间梁单元上,中间节点和斜拉索之间采用主从关系相连,横梁采用无质量

4、的刚臂单元模拟。这种模式较好地模拟了主肋和桥面板的刚度和质量分布,但横梁的质量和对主肋的抗扭作用没有充分考虑,同时刚臂刚度的取值也会对计算结果有所影响。".!."斜拉索斜拉桥拉索的模拟采用弯曲刚度很小的梁单元来模拟,索的轴向刚度采用拉索实际的刚度,弹性模量不必采用静力计算中的等效弹性模量而采用实际值。".!.#索塔洞庭湖大桥三个索塔为宝石型,采用空间梁单元模拟。单元的弯曲刚度和抗扭刚度按箱型截面计算。".!.$支座及桥墩桥墩及支座单元都采用梁单元,由于边墩支座在顺桥向可以自由而横桥向限制主梁平动,同时主梁单元与支座相连节点绕横向轴可自由转动,而绕竖向轴和

5、顺桥向轴的转动则被约束,因此结合静力模型分析66中外公路第22卷第6期2002年12" """"""""""""""""""""""""""""""""""""""""""

6、;"""""""""""""""""""""""月收稿日期:2002-10-31作者简介:陈常松,男,讲师,中南大学土木建筑学院在读博士.和试验的结果模拟支座和边墩单元的抗顺桥向的弯曲刚度。对于索塔基础单元则模拟桩基的抗推刚度,桩基单元的刚度按实际面积、调整长度来模拟其刚度的大小。!.!动力分析方法模型桥的自由振动方程为:0其中为一致质量矩阵;为模型桥的刚度矩阵;为位

7、移向量。由于子空间迭代法相对其他方法精度高、结果可靠,而且当模型桥自振频率非常接近或相等时,可以避免其他方法收敛太慢的情形,因此在求解前20阶固有频率和振型时采用该方法。!."计算模型理论上计算了各种有限元计算模型的动力特性,各种计算模型具体意义如下:计算模型1:实桥。计算模型2:严格按各相似比的理想模型桥。计算模型3:实际进行动力试验的模型桥(塔上不考虑附加质量。计算模型4:在计算模型3的基础上考虑塔上附加质量(比较塔上附加质量的影响。计算模型5:在计算模型3的基础上按主梁的密度相似比修改索的换算密度(比较拉索密度相似比的影响。1实桥与理想模型桥的计算自振频率及其相似比见表1所示。

8、2经过理论计算和分析,可得到实际模型桥的计算自振频率及实桥与它的相似比,计算结果见表2。3实际模型桥前四阶振型图如图1所示。!.#实际模型桥动力特性的影响因素分析1塔柱附加质量的影响根据动力相似分析,如果要使全桥有统一的密度相似比则必须在塔上附加相应的质量砝码,表3列出了在塔上加上附加质量和未加附加质量两种情况的计算结果。由计算结果可知,塔上附加质量对前15阶自振频率的影响绝大多数不超过7%,故表3仅列出前10阶结果。2拉索自重的影响分别计算了拉索在!"=1172的统一密度比下换算密度和实际密度两种情况下的自振频率的影响,计算模型分别为5和3,其计算结果见表4。表$计算模型$和!的自

9、振频率及对应的振型频率顺序理论计算振型计算模型11计算模型22!=2/1 1纵飘0136780749254772反对称竖弯0212561164054763对称竖弯0374302050454784反对称竖弯0397392177354795对称竖弯0415592276954796反对称竖弯0447702452554787对称竖弯0578773170154778反对称横弯0610283342754779对称竖弯069287379505477 10对称竖弯071161389775477 11对称扭转078104427585475 12反对称竖弯078545430235477 13对称竖弯0818604

10、48405478 14反对称竖弯099625545745478 15中塔侧弯10006547385470 16对称竖弯10401569775478 17中塔纵弯12123663865476 18边塔反对称侧弯12254671265478 19边塔对称侧弯12418680225478 20三塔纵弯12695695415478表!实际模型桥的自振频率及频率相似比频率顺序理论计算振型计算模型3即实际模型桥3频率相似比3/11纵飘182121332反对称竖弯279891323对称竖弯504791354反对称竖弯580391465对称竖弯627191506反对称竖弯744391667对称竖弯779631

11、358反对称横弯884741459对称竖弯9086013110对称竖弯1014414311对称扭转1060513612反对称竖弯1090813913对称竖弯1217414914反对称竖弯1287513015中塔侧弯1368413716对称竖弯1634215717中塔纵弯1681513918边塔反对称侧弯1810114819边塔对称侧弯1892315220三塔纵弯21808172766! !期岳阳洞庭湖大桥模型动力特性分析图!实际模型前四阶振型图表"计算模型"与#的计算自振频率及其误差频率顺序计算模型4f 4计算模型3f 3(f 3-f 4/f 411.75811.82124

12、%22.68792.79894%34.87475.04794%45.49435.80406%56.26926.27190%67.41547.44400%77.63487.79632%88.77858.84751%99.07059.08610%109.949510.14402%由上面分析可知,不考虑拉索的密度相似比对全桥的动力特性的影响很少,绝大多数不超过5%。因此,实际模型桥在进行模态试验时不考虑拉索的附加质量是可行的。3边墩刚度、三塔刚度对全飘浮体系三塔斜拉桥动力特性的影响表#计算模型$与"的计算自振频率及其误差频率顺序计算模型5f 5计算模型3f 3(f 3-f 5/f 511.

13、78031.82122%22.71172.79893%34.93285.04792%45.66875.80402%56.13776.27192%67.35177.44401%77.61877.79632%88.76178.84751%99.00979.08611%1010.077010.14401%!在计算模型1的基础上对边墩刚度(纵向挠曲刚度I z 在静力试验的基础上进行了各种模拟。结果见表5。"在计算模型1的基础上分析了边塔、中塔各部位刚度分别增大2倍(塔的刚度减少的情况不予考虑对斜拉桥频率特性的影响,其分析计算结果见图2所示。表$边墩刚度对计算自振频率的影响频率顺序振型减少5倍

14、减少10倍减少100倍增大5倍增大10倍增大100倍1纵飘0.13150.12290.04270.14920.16020.21722反对称竖弯0.18850.13440.04280.21400.21630.26933对称竖弯0.19400.14800.13530.39200.39810.42094反对称竖弯0.21300.21220.21200.43800.44490.47375对称竖弯0.38400.38320.38260.57910.58070.58556反对称竖弯0.43050.42970.42900.61120.61220.61707对称竖弯0.57790.57780.57770.69

15、110.69990.72168反对称横弯0.61010.61000.61000.70870.72010.74779对称竖弯0.68910.68860.68810.77930.78260.786210对称竖弯0.70770.70710.70660.78180.78930.813786中外公路22! 卷 注:刚度变化部位,l -边塔上部;2-边塔中部;3-边塔下部;4-中塔上部;5-中塔中部;6-中塔下部图!塔刚度变化与自振频率的关系"结论根据动力相似分析理论得到洞庭湖大桥模型的动力计算模式,通过计算分析得到如下结论:l 本桥的基本周期为7.3s ,属于长周期。第一振型为纵向飘移振型,符

16、合飘浮体系斜拉桥的特征,这对减小结构的地震反应是有利的,但将产生较大的结构位移,在设计时应予以重视。2塔上附加质量对前l5阶自振频率的影响比较少,另外不考虑拉索的密度相似比而按制作的拉索实际质量分析对全桥的动力特性的影响很少,因此在模态试验时在塔上和拉索上不附加质量是可行的,对模态试验的影响较少。3在理论上分析了主梁抗弯刚度(!",!#、索塔抗弯刚度(!",!#、边墩抗弯刚度等参数对振型与频率的影响。塔的纵向抗弯刚度增大使频率增大,并且对以主梁竖向弯曲为主的振型和频率影响较大,而对横向振型则影响较小。其中,塔中部的刚度变化较上塔柱和下塔柱的刚度变化影响大;边墩刚度对斜拉桥的

17、动力特性影响较大,因此在动力分析和地震分析中要准确模拟其刚度。参考文献:l 陈常松,颜东煌,田仲初,李学文.岳阳洞庭湖大桥动力相似理论分析J .桥梁建设,2002(l .2颜东煌,田仲初,陈常松,李亚非.岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥全桥静动力模型设计J .长沙交通学院学报,l999,l5(l .3李佳升,颜东煌,陈常松,王志辉.湖南岳阳洞庭湖大桥模型试验实施介绍J .中南公路工程,l999,24(2.4李德葆,振动模态分析及其应用M .北京:宇航出版社,l989.966!期 岳阳洞庭湖大桥模型动力特性分析 岳阳洞庭湖大桥模型动力特性分析作者:陈常松, 颜东煌, 陈政清作者单位:陈常松(长沙交通学院

18、,湖南,长沙,410076;中南大学土木建筑学院, 颜东煌(长沙交通学院,湖南,长沙,410076, 陈政清(中南大学土木建筑学院刊名: 中外公路英文刊名:JOURNAL OF CHHINA & FOREIGN HIGHWAY年,卷(期:2002,22(6被引用次数:1次参考文献(4条1.陈常松;颜东煌;田仲初;李学文岳阳洞庭湖大桥模型动力相似理论分析期刊论文-桥梁建设 2002(012.颜东煌;田仲初;陈常松;李亚非岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥全桥静动力模型设计期刊论文-长沙交通学院学报1999(013.李佳升;颜东煌;陈常松;王志辉湖南岳阳洞庭湖大桥模型试验实施介绍 1999(024.李德葆振动模态分析及其应用 1989本文读者也读过(10条1.刘建.李传习.刘扬.夏桂云.张建仁岳阳洞庭湖大桥三塔斜拉桥施工控制期刊论文-中外公路2005,25(42