自锚式斜拉-悬吊协作体系桥动力特性分析

自锚式斜拉-悬吊协作体系桥动力特性分析

动力特性建模分析桥梁结构的动力特征主要指结构本身的自振频率和主振类型。这是桥梁研究的重要课题之一。自锚式斜拉-悬吊协作体系桥是一种新型体系,该体系不但继承了传统的地锚式斜拉-悬吊协作体系桥(以下简称地锚体系桥)的大部分优点,而且由于取消了庞大的锚锭(仅施工时采取临时锚固措施),进一步降低了工程造价,更好地适应了深海软土地基的建设。目前,国内即将兴建的大连庄河大桥以及规划中的大连港跨海大桥均是采用这种协作体系,而目前对自锚式斜拉-悬吊协作体系桥动力特性的研究还几乎是空白。为此,本文以大连港跨海大桥为背景,通过建立空间有限元计算模型对其动力特性进行分析,并与地锚式斜拉-悬吊协作体系桥进行了对比,同时还就一些结构参数的变化对自锚式斜拉-悬吊协作体系桥动力特性的影响进行了研究,对其影响规律进行了讨论。为自锚式斜拉-悬吊协作体系桥的抗震抗风设计及进行地震和抖振响应分析提供了基础依据,具有一定的参考价值。1斜轴连接系统桥的动力特征分析1.1航道航道滤桥结构大连港跨海大桥是跨越大连湾的一条公路通道,主要功能是沟通大连湾两侧新老市区,将大连湾北部的高速公路和南部快速路相互衔接起来。考虑到大连湾内船舶等级和航空安全的需要,要求大连港航道通航孔桥主跨为800m,桥下净空为53m,桥塔顶标高≯174m,穿越锚地两侧安全带距离为700m。大桥工程所处大连湾水域水深约10m,为降低在水中修建锚锭的难度和风险,降低工程造价、缩短工期,桥梁工程师们构思出了自锚式斜拉-悬吊协作体系桥,其主跨由520m的斜拉桥和280m的悬索桥这两种设计和施工都比较成熟的体系综合而成,其中悬索桥在施工时采取临时锚固措施,成桥后锚固于主梁上形成自锚体系(见图1)。1.2缆索的单元模拟及垂度效应采用脊梁模式建立该桥的空间有限元模型,见图2。模型中主梁、主塔、桥墩及横系梁等采用空间梁单元模拟,主缆、吊杆和斜拉索则采用空间杆单元模拟,并考虑了其初内力对结构刚度矩阵的贡献,缆索的垂度效应利用Ernst公式对弹性模量进行修正加以考虑。此外,对桥面铺装的模拟仅计其质量,不考虑其刚度。同时,为便于与地锚式斜拉-悬吊协作体系桥的动力特性进行对比,仅将自锚式斜拉-悬吊协作体系桥主缆的锚固方式进行修改,即将主缆两端直接锚固于地面,其余条件均相同。1.3动力特性分析利用上面建立的空间有限元模型,采用Lancons法对自锚式和地锚式斜拉-悬吊协作体系桥的动力特性进行了计算,表1给出了前10阶频率和主振型。2结构参数变化时自振频率的影响桥梁结构的频率和振型与其刚度和质量有关。因此,加劲梁刚度、主塔刚度等结构参数发生变化时,均会对结构的自振频率产生影响。这里以大连港跨海大桥为例,研究上述参变量对自锚式斜拉-悬吊协作体系桥动力特性的影响。2.1阿迪斯斜带的刚度变化对动力学特性的影响2.1.1阶竖向振动频率加劲梁竖向刚度变化对动力特性的影响见图3。由图3可见,当主梁竖向挠曲刚度按1.0～2.0倍率发生变化时,自锚式斜拉-悬吊协作体系桥的一阶竖向振动频率值逐渐增大,由于一阶纵飘振型与其是耦合在一起的,故其频率值也呈增大的趋势,频率值从0.11360Hz增大到0.12239Hz。而主梁竖向刚度的增大,对一阶横向和一阶扭转频率影响甚微,二者的频率值几乎没有变化。2.1.2阶扭转振型主要从振动的角度区分,主要有外在联梁加劲梁横向刚度变化对动力特性的影响见图4。由图4可见,当主梁横向弯曲刚度从1.0倍递增到2.0倍时,自锚式斜拉-悬吊协作体系桥的一阶竖弯和一阶纵飘频率未发生任何变化,始终保持在同一数值,但一阶横向振动频率值增幅较为显著,从0.16397Hz增大到0.20698Hz。同时,随着主梁横向弯曲刚度的加大,对一阶扭转频率也产生了一定的影响,数值有所增加,这是由于一阶扭转振型中伴有主梁横弯、主塔横弯、缆索振动等多种振型的耦合成分,形成塔、梁、缆共同参振的扭转振动,因而主梁横向抗弯刚度的提高导致了一阶扭频的增大。从抗风的角度来看,扭转振动的多振型耦合参振可以分担主梁从导流中吸收的能量,有助于提高结构的颤振临界风速,增强结构的抗风稳定性。此外,再结合一阶竖弯和一阶纵飘的耦合可以看出,自锚式斜拉-悬吊协作体系桥的动力特性是颇为复杂的,进行地震和抖振响应分析时必须采用能够考虑多振型耦合振动的分析方法,否则将会对计算结果造成很大的误差。2.2塔架的刚性变化对动态特性的影响2.2.1纵向刚度的影响桥塔纵向刚度变化对动力特性的影响见图5。由图5可见,当主塔纵向刚度按1.0～2.0倍率发生变化时,自锚式斜拉-悬吊协作体系桥的一阶扭转频率几乎不受其影响,横向振动频率值稍有增加,但变化并不明显,只有一阶纵飘和一阶竖弯频率值随着主塔纵向刚度的加大,呈现出较强的增大趋势,频率值从0.11360Hz增大到0.14738Hz。但对大跨径桥梁来讲,若单纯通过增大桥塔的刚度来提高结构的纵向振动频率,以减小在动力荷载作用下过大的位移显然是不经济的。在满足静力分析的前提下,设计者对主塔刚度的合理选取,应结合其他一些可以起到同样效果的约束方式来进行,如设置纵向弹性约束等。2.2.2阶横向振动频率桥塔横向刚度变化对动力特性的影响见图6。由图6可见,当主塔横向刚度按1.0～2.0倍率发生变化时,自锚式斜拉-悬吊协作体系桥的一阶横向振动频率略有增加,从0.16397Hz增大到0.16735Hz,而一阶竖弯和一阶纵飘频率没有变化。同时,在桥塔横向刚度增加的过程中(尤其是在刚度增加的初期),对一阶扭转频率也产生了一定的加强作用,其原因也是由于作为一阶扭转振型的耦合成分,主塔横向抗弯刚度的加大提高了一阶扭转振动频率。3中高阶振型对自锚式斜拉-悬吊协作体系桥结构的影响3.1自锚式斜拉-悬吊协作体系作为一种柔性结构体系,其基本自振周期长,振型分布密集,振型间相互耦合,当采用振型分解的方式进行地震和抖振响应分析时应多选取一些振型,且对各阶振型结果的处理要采用能考虑振型间相关性的CQC法,不应使用SRSS法。3.2主梁和主塔竖向和纵向弯曲刚度