钢拱塔施工和成塔状态动力特性的数值模拟.pdf

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1、钢拱塔施工和成塔状态动力特性的数值模拟李宇，楼一层，文锋，白桦，李加武(1．长安大学公路学院旧桥检测与加固技术交通行业重点试验室，陕西西安710064；2．杭州交通投资建设管理有限公司，浙江杭州310005；3．中交公路规划设计院有限公司，北京100088)摘要：以杭州之江大桥为工程背景，利用ANSYS建立了施工及成塔状态的钢拱塔有限元模型，并计算了钢拱塔(考虑施工设备)的如下5个阶段的动力特性，包括：钢塔混凝土段完成、建至1／2、建至2／3、合龙前以及合龙后。计算结果表明：当钢拱塔从施工状态转变为成塔状态时，其基阶振型也由面内振动转变为面外振动，在这体系转换的过程中，钢拱塔容易发

2、生风致振动，进而对其施工质量、设备及人员安全产生较大的影响。因此，需要采取适当的措施，以减轻施工和成塔状态钢拱塔的风致振动，而该研究的成果也可为钢拱塔的风致振动的控制研究提供科学的依据和参考。关键词：斜拉桥；钢拱塔；动力特性；施工状态；成塔状态中图分类号：U448．27文献标识码：B由于拱形钢桥独特的外形和较小的阻尼，其对风1引言的反应较为敏感，而目前的研究则主要是集中在常规拱塔斜拉桥是近年来新出现的一种桥型，桥型构桥塔上，尚未有文献提及钢拱塔的风振控制。因此，思新颖独特，在结构体系等方面有较大创新，技术先本文以杭州之江大桥为工程背景，开展了钢拱塔施工进，造型美观，但构造复杂；造型

3、上主拱也是索塔，和成塔状态的动力特性的研究，以期为该类拱形桥塔通过拉索、主拱、主梁的空间几何构图使结构立体感的风致振动的研究提供科学参考。强，有很强的地标性，与周边环境交相辉映、浑然一2成塔状态的动力特性体。目前，国内此类型的拱塔组合桥梁结构体系较少，之江大桥以246m的主跨处于拱形主塔斜拉桥主2．1模型建立跨的第一名。之江大桥主塔成塔状态的动力特性分析采用离散之江大桥为116+246+116(m)的双塔空间双结构的有限元方法。本研究采用ANSYS软件，根据索面斜拉桥，桥长478m，索塔为钢结构，主梁为钢之江大桥拱塔的结构特点，在保证其质量和刚度与实箱梁，主桥横断面总宽度40．5m

4、。主桥整体采用半飘际结构一致的前提下进行了一定的简化(如图2所浮体系，主梁在索塔和交叉墩处设置纵向滑动支座。示)。索塔采用门形索塔，高97．5m，上塔柱采用矩形钢箱结构，下塔柱为矩形实体混凝土结构，钢混结合断面距承台高22．5m。如图1所示。图2成塔状态的有限元模型图1之江大桥采用Beam4单元来模拟拱塔混凝土段(TO)、拱2013年1期(总第97期)119塔钢塔段(T1一T15)、拱塔承台和钢横梁；采用MASS21单元来模拟横梁和钢塔上的附加质量。2．2计算结果之江大桥钢拱塔成塔状态后的前10阶频率及振型描述见表1，前2阶振型如图3所示。图4混凝土段完成后的有限元模型3．2计算结

5、果之江大桥的钢拱塔混凝土段完成后的有限元模型的前10阶频率及周期见表2，前2阶振型如图5所示。表2前10阶振型的计算结果(a)第1阶振型振型号频率／Hz周期／s振型号频'~-／Hz周期／s11O．1270．099l635．7740．0282l3．5460．0741735．80o0．028／321．8540．046l835．8200．028423．0960．043l935．8250．028i一526．7050．0372037．2730．027629．3140．0342l37．9290．026730．3700．0332239．2830．025832．1650．O312339．2930．

6、025934．2440．0292439．5800．025l034．7280．0292541．0510．024(b1第2阶振型图3前2阶振型表1前10阶振型的计算结果1h；(a)第1阶振}～————一一1f3混凝土段完成后的动力特性3．1模型建立—==～一一—iji一‘如图4所示，采用Beam4单元来模拟承台、拱塔混凝土段()、钢横梁、拱塔钢塔段(T1)以及下横梁支架(立柱、平联和斜撑)；采用MASS21单(b)第2阶振型元来模拟横梁和钢塔上的附加质量。图5前2阶振型1202013年1期(总第97期)质量、施工设备及人员安全产生较大的影响。因此，4·5需要采取适当的措施，以减轻施工和

7、成塔状态钢拱塔4·0的风致振动。3·53．o参考文献嬖zs黄士柏，郝俊峰，徐海军．拱形塔悬索斜拉组合结构桥梁的设计2．O与施工．桥梁建设，2010(1)：45—48．l5[2]文永奎，孙利民，大跨度斜拉桥钢塔制振方案与参数分析．同济1．O大学学报(自然科学版)，2006，34(3)：296—301．[3]XuYL，KoJM，YuZ．ModalAnalysisofTower—CableSystemofTs—0．5建至1／2建至2／3合龙前合龙后ingMaLongSusp