大跨度连续刚构桥有限元建模与动力特性研究.pdf

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1、大跨度连续刚构桥有限元建模与动力特性研究何军拥1，田承宇2，张海波3(1510510广东广州广东工贸职业技术学院；2410007湖南长沙中国水利水电第八工程局科研设计院，3510330广东广州广州航海高等专科学校)【摘要】自振频率和振型是反映桥梁结构动力特性的模态参数和评价桥梁动力性能的重要依据。以某大跨度连续刚构为例，采用大型通用分析软件ANSYS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，为桥梁设计和检测等提供参考。【关键词】连续刚构桥；动力特性；有限元模型；模态分析f中图分类号】U448．23f文献标志码】Af文章编

2、号】1003—1324(2011)一10一0097—021引言模态分析指确定结构系统的振动特性，得到结构的固有频率和振型，它们是结构承受动力荷载中的重要参数，同时也是结构其它各类型动力学分析的基础”】。在进行谐响应分析、地震反应谱等分析之前，均必须先进行模态分析。对于实际的结构而言，模态分析结果不但反映了结构的刚度信息，而且可以用于指导结构的设计。工程中的共振往往是在桥梁工程中所不希望发生的，这也同样依赖于对结构的固有频率和振型的准确获取。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

3、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，当前，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收稿日期：2011一09—13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。对于大跨径连续刚构梁的动力特性，目前国内研究得比较少。本文以某连续刚构特大桥为背景，分析了此类桥的动力特性。2分析方法及原理桥梁结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

4、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c，】鼢+刚泐+【Ir】鼢=铆(1)式中，嗍、旧、旧分别为桥梁结构的质量、阻尼、刚度矩阵；巧、6和艿分别为桥梁结构的加速度、速度和位移向量；为作用于桥梁空间梁单元的力向量。求桥梁自振特性时，一般不考虑阻尼的影响。令问=o、{，)=o，则得到其无阻尼自振方程．即Lr]御+啪泐=0(2)式(2)具有非零解的条件为：br]一毋2Lr】=0(3)也就是式(2)的特征方程(频率方程)为：【羽一《Lr】嗵】=0(4)式中：程为第n阶振型的特征值(自振频率

5、)；《为第行阶振型向量，即主振型(模态)。对于式(3)求解广义特征值问题求解方法比较多，常用的有Lanczos向量迭代法、逆迭代法、Kayleigh—Ritz法、Jacobi(雅可比)法、Ritz向量迭代法、子空间迭代法等。从结构分析的角度来说，往往不是对所有的振型和频率都感兴趣，并不一定要求出所有的特征对，只需按要求求出较低的几阶就可以了，这样既能节省存储振型所用的空间，又可大大节省计算的时间。本文采用了能充分利用嗍和阑的稀疏带状性质的子空间迭代法来求解!器{铂圃97建筑设计与施工IDESIGN＆CONSTRUCTION特征方程。子空间迭

6、代法是Rayleigh—Ritz法和逆迭代法的联合．故叉称为联合迭代法。子空间迭代法的特点是利用P,．ayleigh—Ritz法变换．将高阶方程投影到一个低维空间(即子空间)中，在子空间内求解一个低阶的广义特征方程，并以求出的低阶特征矢量返回到原方程的一组正交基，然后以逆迭代的形式同时迭代，即修正ILitz基，使其构成的低维空间接近于原方程中最小的一组特征值对应的特征矢量构成的低维空间，原方程在这个近似的空间中就能求近似的低阶特征对。子空间迭代法的具体求解步骤可查有关文献⋯。3有限元建模与分析3．1工程背景简介粟阵E鞠舜瀚为61,4+oA+

7、gq44+Bvra的一联预应力混凝土桥一连续箱梁组合体系。共8个主墩，7个主孔。箱梁为单箱单室断面，箱梁全宽125m．底板宽6．8m。垒桥共有6个合拢段，跨中及边跨段粱高2．8m，箱粱支点根部粱高8．0m，其余粱高按1．6次抛物线变化。箱粱底板厚由根部1．0m过渡至跨中的o．32m，腹板厚由根部的0．9m过渡至跨中的o45m。主梁纵向预应力束为钢绞线(强度《=1860m，a)。3．2有限元模型的建立该桥ANSYS模型按11比例建立，且由APDL文件生成。本文主要关注该桥主粱的动态特性．因此，采用so“d45模拟主粱混凝土材料和建立主粱的三维

8、空间结构。结构空间动力计算具体模型如图1所示。3．3计算结果与分析表1和图2列出了本桥前6阶模态自振频率和本桥前6阶振型图。由以上计算结果可得出第1阶振型是以右边跨为主的横向面内