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1、城市轻轨连续刚构桥动力特性分析摘 要:自振频率、振型等是反映桥梁结构动力特性的模态参数,是评价桥梁动力性能的重要依据。以某轻轨连续刚构为例,采用大型桥梁专业分析软件MIDAS建立该桥的有限元计算模型,对其进行模态分析,得出相关模态参数,其计算结果可供桥梁设计和成桥检测时参考。关键词:轻轨连续刚桥;动力特性;模态分析 目前,轨道交通在我国大城市公共交通系统中越来越受到重视。移动车辆通过高架轻轨引起的桥梁动力行为与桥梁自振频率、车辆自振频率、轨道的不平整度、车辆系统的阻尼及车辆运行速度、车辆在桥前的自激振动加速度等许多因素有
2、关。另一方面,设计技术与材料性能的新发展及大跨度桥梁施工水平的不断提高,特别是桥梁悬臂施工技术的改进和成熟,对混凝土收缩、徐变、温度变化、预应力作用、墩台不均匀沉降等引起的附加内力研究的逐渐深入和问题的不断解决,大跨度连续刚构桥已成为主要的桥梁结构形式。但这种结构在动载,特别是因移动荷载作用下结构易于开裂,设计时如果对桥梁动力行为考虑不足,将使大跨桥梁在使用期间发生安全问题。再者,对于大跨径连续刚构梁,轻轨列车带来的动力影响目前国内研究得比较少。本文以重庆某轻轨连续刚构特大桥为背景,分析了此类桥的动力特性。1工程背景该桥主
3、桥为96m+160m+96m的3跨PC变截面连续刚构。箱梁为双向预应力混凝土结构,采用单箱单室断面,桥面总宽9.1m,箱顶板宽9.1m,底板宽5.6m,箱梁跨中及边跨梁现浇段高3.7m,高跨比为1/43.2,根部梁高9.2m,高跨比为1/17.4。梁高从合拢段中心到悬臂根部按二次抛物线变化,其方程为h=(5.5/752)X2+3.75m。箱梁腹板厚45~100cm,箱梁顶板根部厚40cm,其它厚30cm。箱梁底板厚从跨中30cm按二次抛物线变化至根部100cm,其变化方程为h=(0.7/752)X2+0.3,见图1。主梁采
4、用C60混凝土,外加聚丙烯纤维(0.8kg/m2)。预制PC轨道梁跨径为18~22m,梁高1.5m,梁宽0.85m。主梁预埋钢筋直接伸入PC梁支座基座内,PC梁支座采用铸钢支座,支座的锚箱和支座固定架预埋在基座内一定深度,这样,PC梁与主梁通过支座连为整体。主墩采用双肢薄壁墩,壁厚2m,薄壁墩的两肢之间净距为6m,中间设系梁,墩身及系梁采用C50混凝土。该桥设计荷载:跨座式双轨列车,按8辆车编组,单轴重110kN,单列车总重3520kN。设计最大行车速度75km/h。2有限元分析模型建立在本文中,采用大型桥梁专业分析软件M
5、IDAS建立轻轨连续刚构动力特性的有限元计算模型。桥跨结构和桥墩采用三维空间梁单元,其2个节点各有6个自由度,它们分别对应于3个线位移和3个角位移。并作如下假定:4(1)主梁与PC轨道梁之间没有相对位移并忽略支座等的弹性变形。轨道梁刚度与其质量和材料类型及截面形状有关,轨道梁下的铸钢支座实际上是弹性非线性的,处理起来比较困难。考虑到在本文分析的车梁系统中,轨道梁跨径为18~22m的简支梁,横向动刚度很大,其自振频率要远远高出主梁、墩和车辆的横向振动频率,可以近似地认为在整个车桥系统中轨道梁与主梁的振动是一致的。为简化计算,
6、本文不考虑轨道梁的弹性作用。(2)因振型分析对桥梁整体进行,即假定主梁节点的振型与PC轨道梁的振型一致,节点之间的振型由节点阵型按Lagrange插值确定。(3)只考虑梁的圣维南扭转。(4)为简化计算,模型中未考虑桩土效应,将各墩在相应的扩大基础顶或承台顶处直接固结。因本桥扩大基础及承台底均置于砂岩上,且全部为嵌岩桩。由于结构的振动特性主要由结构的刚度特性(材料的弹性模量、截面的几何特性和边界条件)和质量分布决定,故必须精确地模拟构件的刚度和质量。该桥梁动力有限元模型中主梁结构均采用变截面的三维空间梁单元进行模拟,梁单元的
7、刚度即为纵梁本身的刚度。但梁单元的质量为桥面系的所有质量,除了纵梁本身的质量外,桥面铺装及桥面附属物将其作为均布质量也分配于主梁梁单元中,不改变主梁梁单元的其他性质。轻轨PC梁及相应构件均采用等截面的三维空间梁单元进行模拟;桥墩采用等截面的三维空间梁单元进行模拟。轻轨PC梁与主梁之间采用铸钢支座连接,即模型中处理为弹性主从连接,主梁与主墩顶处弹性主从连接,边墩墩顶设两球型橡胶支座与主梁相连,仅设竖向和横向约束。结构空间动力计算具体模型如图2所示。3分析方法及原理桥梁结构动力特性是评价桥梁运营状态和承载能力的重要指标。桥梁结
8、构的振动特性主要取决于它的各阶自振频率和主振型等。自振频率首先是表征结构刚性的指标,同时也是判断结构在动力作用下是否会发生车桥共振的依据。桥跨结构的固有自振特性和受迫振动响应,是动力分析的主要内容。桥梁的动力方程可写为[M]{δ¨}+[C]{δ·}+[K]{δ}={F}(1)式中,[M]、[C]、[K]
