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1、本期专题异形中承式钢管混凝土拱桥动态特性分析孙增寿,颜斐,范科举(郑州大学土木工程学院,河南郑州450002)摘要:以洛阳瀛洲大桥主桥为研究对象,采用空间有限单元法建立异形中承式钢管混凝土系杆拱桥的空间力学计算模型,利用子空间迭代法计算了桥梁结构的自振周期和振型,并对桥梁的动态特性进行了参数分析。计算结果可为该桥及同类桥梁的设计、施工以及使用阶段的健康监测和维护提供技术参数和依据。关键词:中承式钢管混凝土拱桥;有限元法;动态特性;参数分析中图分类号:U448.22文献标识码:B桥梁结构的动态特性对桥梁抗震设计、健康状态监较为困难。而对于这
2、种大型结构,通常是前几阶自振频测和评估具有十分重要的意义。它包括桥梁的自振频率[2~4]率和相应振型对结构的位移和内力起控制作用,因与主振型,是进行结构动力分析和抗震设计的重要参此,只需求前几阶振动频率和相应振型,可采用目前最数,也是在使用阶段判别桥梁是否存在损伤的基本依有效的子空间迭代法来计算。据,所以在桥梁鉴定和验收规范中对桥梁竖向和横向自2工程概况振频率的限值均有一定的规定。文章以洛阳瀛洲大桥主桥为研究对象,探讨了中承式钢管混凝土系杆拱桥自振洛阳瀛洲大桥是位于九朝古都洛阳的一座跨河桥,频率和主振型的计算问题。全长1160m,2007
3、年3月开工建设。主桥长610m,由35m飞燕拱+3×50+60m边跨(上承式连拱)+120m中跨1理论基础(中承式钢管混凝土系杆拱)+60+3×50m边跨(上承式结构动力分析的基本问题是计算结构的自振频率和连拱)+35m飞燕拱组成。主桥中跨桥型为中承式系杆振型,它是分析计算结构动力响应的基础。一般的结构拱桥,其中拱圈是通过横撑、斜撑和3根钢管组成的倒[1]固有振动方程为三角形空间组合式拱圈;主梁全长79.48m,采用全封闭[M]{δ}+[C]{δ}+[K]{δ}={F}(1)的钢-混凝土叠合梁结构,内设高强钢丝系杆,以减少式中,[K]为结
4、构刚度矩阵;[M]为结构质量矩阵;[C]拱圈对基础的水平推力,桥面中心线处梁高2.2305m,为结构阻尼矩阵。混凝土桥面板厚0.25m,横隔板为“T”形梁,根据吊杆因此在进行结构动力分析时,除建立刚度矩阵外,间距6m一道,在横隔板间设置小纵梁,小纵梁间距还需要建立结构的质量矩阵和阻尼矩阵,在进行结构自2.4m,为“工”字形断面,桥面板为2400×6000mm的振特性分析时,常常忽略阻尼的影响。对钢管混凝土拱预制钢筋混凝土板,厚25mm,通过现浇段和剪力钉与桥结构而言,在采用有限元法进行结构动力分析时,主横隔板和小纵梁形成整体叠合梁结构。主
5、跨两端为要考虑拱圈和吊杆间的相互作用,对桥面系、基础间的46.51m长的等高度预应力混凝土悬臂梁,梁宽31.0m,作用以及阻尼等因素的影响暂不考虑,即令[C]=0,并梁高2.42~2.188m,横向为单箱七室,腹板间距3.65~取[G]=0;运用达朗贝尔原理,可得到钢管混凝土拱桥3.70m,梁体两侧设2.5m悬臂。主拱肋采用直径1.5m的无阻尼自由振动方程的钢管混凝土结构,位于竖向平面内,矢跨比1/3.5;[M]{δ}+[K]{δ}=0(2)两个副拱肋采用直径1.2m的空钢管结构,由竖直平面其特征方程(频率方程)为向两侧旋转22.05°得
6、到,竖向平面内矢跨比1/3.0,拱顶2[M]-ω[M]=0(3)中心线横向距主拱肋拱顶中心线10.0m,竖向距离5.7m;三个拱肋之间通过斜撑和横撑连接,斜撑为高由于钢管混凝土拱桥的跨度较大,结构复杂,自由600~900mm、宽300mm的工字形截面,横撑采用外径度数目庞大,因此整个结构的动力方程阶数较高,求解作者简介:孙增寿(1963-),男,河南三门峡人,教授,工学博士,从事桥梁工程研究。222008年07期(总第43期)299mm、壁厚30mm的钢管;拱肋两端与预应力钢筋混其质量对自振特性的影响,目的是保证自振特性计算的凝土箱形截面
7、梁整浇在一起。钢-混凝土叠合主梁在横正确性。钢管混凝土拱肋截面刚度EA、EI根据文献[9]隔板处通过13对竖吊杆和18对斜吊杆分别悬吊在主、所推荐的公式计算。副拱肋上,竖吊杆采用PES(FD)7-109低应力高强平行3.2计算结果及分析钢丝拉索,斜吊杆采用热铸锚平行钢丝7-37。整个主在桥梁结构动力性能分析中,一般情况下结构的前跨通过现浇钢筋混凝土拱脚支承在钢筋混凝土墩身上。几阶振动起控制作用,所以只需计算结构的前几阶自振频率和振型。本文采用子空间迭代法进行桥梁模态分3有限元分析和参数分析析,计算模态数量取15,计算结果如表1所示,限于篇
8、3.1空间有限元模型的建立幅文中只给出前6阶振型图,如表3所示。根据洛阳瀛洲大桥主桥的结构特点,主跨主要由拱从计算结果可以看出,洛阳赢洲大桥主桥的振型比肋、吊杆和桥面系3部分组成,为柔性吊杆和
