江西九江长江公路斜拉桥动力特性分析2

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1、江西九江长江公路斜拉桥动力特性分析李传习,邓志荣(长沙理工大学土木与建筑工程学院,湖南长沙410076)摘要:以江西九江长江公路斜拉桥为研究对象,采用大型有限元分析软件ANSYS,建立了该桥的空间有限元模型,并对其进行了动力特性分析,得到该桥的自振频率和振型。分析结果显示该超大跨度半漂浮体系斜拉桥具有基本周期长、自振频率较低、模态密集、振型相互耦合等特点,为进一步进行地震作用和气动稳定性研究提供了基础,也为江西九江长江公路斜拉桥动力测试提供理论计算数据。关键词:ANSYS;动力特性;自振频率;混合梁斜拉桥;0引言斜拉桥因其结构

2、形式有利于大跨径受力,且外观美观、造价适中、施工方便等,目前已成为世界上最广泛的大跨径桥梁形式之一。近几十年来,因为斜拉桥设计理论、施工方法和新材料研究取得重大发展,全世界建设的斜拉桥数量和跨径迅速增长。随着斜拉桥跨度的不断增大,其结构刚度越来越小,在车辆荷载、风荷载和地震荷载作用下,可能引起桥梁结构产生局部疲劳损伤,或会影响桥上行车舒适和安全,甚至使桥梁结构破坏[1]。因此,超大跨度斜拉桥的动力特性和结构性能分析就显得尤为重要。本文采用大型有限元计算软件ANSYS建立了江西九江长江公路斜拉桥三维有限元简化计算模型,并对其进行

3、了特征值模态分析。该桥的建模可以为同类桥梁的动力分析提供有益的思路,其计算结果符合现有文献对半漂浮体系斜拉桥一般动力特性的描述,为进一步进行地震作用和气动稳定性研究提供了基础,也为江西九江长江公路斜拉桥动力测试提供理论计算数据。1工程概况福州至银川高速九江长江大桥在江西九江区段跨越长江,南接江西省九江市,北连湖北省黄梅县,全长25.43025公里。江西九江长江公路大桥主桥是一座跨径组合为70m+75m+84m+818m+233.5m+124.5m的六跨连续半漂浮体系单侧混合梁双塔斜拉桥,全长1405m。索塔采用H形钢筋混凝土塔

4、柱,其中两塔柱间设三根预应力混凝土横梁连接。主梁全宽38.9m,中跨和北边跨主梁采用扁平流线型箱梁,边跨主梁采用PC混凝土箱梁。斜拉索为空间双索面扇形斜拉索布置(密索体系),采用钢绞线斜拉索,南塔和北塔单面分别27、28对索,全桥共110对索(220根)。梁段分为:0.9m(伸缩缝)+260.6m(混凝土主梁)+7.5m(结合段)+1135.1m(钢箱梁)+0.9m(伸缩缝),掐红结合段伸入主跨32.5m。,主桥索塔和过渡墩基础均采用钻孔灌注桩基础。主桥桥型图如图1所示。图1主桥桥型布置图2动力计算模型[2]为获得与真实结构更

5、为接近的动力特性,大跨径斜拉桥的动力计算模型应着重于结构的刚度、质量和边界条件等的模拟,使其尽量与实际情况相符合。在建立动力模型时,主要是对桥塔、基础、斜拉索和主梁进行模拟。2.1主梁的模拟斜拉桥的大部分质量集中在主梁,因而正确模拟它非常重要。现有的主梁模型有单主梁模型、Ⅱ形模型、双主梁模型和三主梁模型。考虑到结构分析的目的不同则所选择的有限元单元和建模方式就不同。如果分析的目的是计算结构的固有振型,则可以简化结构的计算模型,为了防止由于局部振型而影响结构的分析精度,通常简化结构的数学模型。特别是在结构的初步设计阶段,重点放在

6、计算整体结构的刚度上。基于以上的原因,本文的主梁采用脊梁模型(单主梁模型),主梁用beam4梁单元模拟。2.2其它结构的模拟建模时仅模拟桥面铺装的质量,而不模拟其刚度。桥面铺装对主梁的作用考虑在二期恒载中。二期恒载、横隔板与压重简化为附加质量,通过建立mass21质量单元附加在节点上来实现。桥塔和塔间三根横梁采用beam4梁单元模拟。斜拉索采用link10单元模拟。2.3边界条件的模拟索塔与梁间设有竖向承压的双向活动支座和横向抗风支座,本模型在横桥向和竖向位移刚度值设置成完全约束,纵桥向设置成部分约束。主梁与拉索之间建立刚性连

7、接,约束主梁和拉索之间的相对几何移动。一端固定在主梁中心线上,另一端为索的锚固点,其中,主梁上的刚性连接节点为主节点,索锚固点为从属节点。主从节点在整体坐标系X、Y、Z轴方向的位移和沿X、Y、Z轴旋转的转角位移都相互约束。索塔底部节点为固结,节点的六个自由度都被约束。2.4质量系统的模拟由于单主梁模型是采用集中质量法计算其质量分布,考虑到更准确地计算扭转振型,使单主梁模型质量分布均匀,通过输入主梁节点回转质量改良其质量刚度矩阵,以达到更准确地计算结构的动力特性。按照上述方法处理后,建立的江西九江长江公路斜拉桥成桥阶段简化模型,

8、共有1645个节点,1331个单元。全桥有限元模型见图二。图2全桥有限元模型3动力特性分析3.1动力特性分析基本方程结构体系的运动方程[3]为;(1)当作用力为零且忽略阻尼得到无阻尼自由振动方程;(2)假定多自由度体系自由振动是简谐运动,式(2)的解可写为;(3)对式(3)取

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1、江西九江长江公路斜拉桥动力特性分析李传习,邓志荣(长沙理工大学土木与建筑工程学院,湖南长沙410076)摘要:以江西九江长江公路斜拉桥为研究对象,采用大型有限元分析软件ANSYS,建立了该桥的空间有限元模型,并对其进行了动力特性分析,得到该桥的自振频率和振型。分析结果显示该超大跨度半漂浮体系斜拉桥具有基本周期长、自振频率较低、模态密集、振型相互耦合等特点,为进一步进行地震作用和气动稳定性研究提供了基础,也为江西九江长江公路斜拉桥动力测试提供理论计算数据。关键词:ANSYS;动力特性;自振频率;混合梁斜拉桥;0引言斜拉桥因其结构

2、形式有利于大跨径受力,且外观美观、造价适中、施工方便等,目前已成为世界上最广泛的大跨径桥梁形式之一。近几十年来,因为斜拉桥设计理论、施工方法和新材料研究取得重大发展,全世界建设的斜拉桥数量和跨径迅速增长。随着斜拉桥跨度的不断增大,其结构刚度越来越小,在车辆荷载、风荷载和地震荷载作用下,可能引起桥梁结构产生局部疲劳损伤,或会影响桥上行车舒适和安全,甚至使桥梁结构破坏[1]。因此,超大跨度斜拉桥的动力特性和结构性能分析就显得尤为重要。本文采用大型有限元计算软件ANSYS建立了江西九江长江公路斜拉桥三维有限元简化计算模型,并对其进行

3、了特征值模态分析。该桥的建模可以为同类桥梁的动力分析提供有益的思路,其计算结果符合现有文献对半漂浮体系斜拉桥一般动力特性的描述,为进一步进行地震作用和气动稳定性研究提供了基础,也为江西九江长江公路斜拉桥动力测试提供理论计算数据。1工程概况福州至银川高速九江长江大桥在江西九江区段跨越长江,南接江西省九江市,北连湖北省黄梅县,全长25.43025公里。江西九江长江公路大桥主桥是一座跨径组合为70m+75m+84m+818m+233.5m+124.5m的六跨连续半漂浮体系单侧混合梁双塔斜拉桥,全长1405m。索塔采用H形钢筋混凝土塔

4、柱,其中两塔柱间设三根预应力混凝土横梁连接。主梁全宽38.9m,中跨和北边跨主梁采用扁平流线型箱梁,边跨主梁采用PC混凝土箱梁。斜拉索为空间双索面扇形斜拉索布置(密索体系),采用钢绞线斜拉索,南塔和北塔单面分别27、28对索,全桥共110对索(220根)。梁段分为:0.9m(伸缩缝)+260.6m(混凝土主梁)+7.5m(结合段)+1135.1m(钢箱梁)+0.9m(伸缩缝),掐红结合段伸入主跨32.5m。,主桥索塔和过渡墩基础均采用钻孔灌注桩基础。主桥桥型图如图1所示。图1主桥桥型布置图2动力计算模型[2]为获得与真实结构更

5、为接近的动力特性,大跨径斜拉桥的动力计算模型应着重于结构的刚度、质量和边界条件等的模拟,使其尽量与实际情况相符合。在建立动力模型时,主要是对桥塔、基础、斜拉索和主梁进行模拟。2.1主梁的模拟斜拉桥的大部分质量集中在主梁,因而正确模拟它非常重要。现有的主梁模型有单主梁模型、Ⅱ形模型、双主梁模型和三主梁模型。考虑到结构分析的目的不同则所选择的有限元单元和建模方式就不同。如果分析的目的是计算结构的固有振型,则可以简化结构的计算模型,为了防止由于局部振型而影响结构的分析精度,通常简化结构的数学模型。特别是在结构的初步设计阶段,重点放在

6、计算整体结构的刚度上。基于以上的原因,本文的主梁采用脊梁模型(单主梁模型),主梁用beam4梁单元模拟。2.2其它结构的模拟建模时仅模拟桥面铺装的质量,而不模拟其刚度。桥面铺装对主梁的作用考虑在二期恒载中。二期恒载、横隔板与压重简化为附加质量,通过建立mass21质量单元附加在节点上来实现。桥塔和塔间三根横梁采用beam4梁单元模拟。斜拉索采用link10单元模拟。2.3边界条件的模拟索塔与梁间设有竖向承压的双向活动支座和横向抗风支座,本模型在横桥向和竖向位移刚度值设置成完全约束,纵桥向设置成部分约束。主梁与拉索之间建立刚性连

7、接,约束主梁和拉索之间的相对几何移动。一端固定在主梁中心线上,另一端为索的锚固点,其中,主梁上的刚性连接节点为主节点,索锚固点为从属节点。主从节点在整体坐标系X、Y、Z轴方向的位移和沿X、Y、Z轴旋转的转角位移都相互约束。索塔底部节点为固结,节点的六个自由度都被约束。2.4质量系统的模拟由于单主梁模型是采用集中质量法计算其质量分布,考虑到更准确地计算扭转振型,使单主梁模型质量分布均匀,通过输入主梁节点回转质量改良其质量刚度矩阵,以达到更准确地计算结构的动力特性。按照上述方法处理后,建立的江西九江长江公路斜拉桥成桥阶段简化模型,

8、共有1645个节点,1331个单元。全桥有限元模型见图二。图2全桥有限元模型3动力特性分析3.1动力特性分析基本方程结构体系的运动方程[3]为;(1)当作用力为零且忽略阻尼得到无阻尼自由振动方程;(2)假定多自由度体系自由振动是简谐运动,式(2)的解可写为;(3)对式(3)取

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