某飞燕式钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析.pdf

1 4 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章 编号 ： 1 0 0 3 1 9 9 5 ( 2 0 1 2 ) 0 1 0 0 1 4 - 0 3 某飞燕式钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析 李 闯 ， 唐 英 ( 1 中国铁道科学研究 院 研究生部 ， 北 京 1 0 0 0 8 1 ； 2 中铁西南科学研究 院 ，四川 成都6 1 0 0 3 1) 摘 要 ： 首先利 用 M I D A S C i v i l 软件 ， 对 浙 江绍 兴 一 新 建 飞 燕 式钢 管混 凝 土 系杆拱 桥 的成 桥 进 行 建模 计 算 ， 得 出理论 计 算 自振 频率和振 型 ； 然后 通过荷 载 试验测 试 ， 得 到成桥 结 构的 实测 自振 频 率和振 型 ； 最后 结合理 论计 算与 实测结 果分析 本桥 的动 力特性 和 动力响应 ， 得 出本桥 梁结构 的动力特 性优 良， 满足设 计 要 求的结论 。 关键 词 ： 飞燕式 钢 管混凝 土拱桥动 力特性 试验 自振 特性模 态分析 中 图分类 号 ： U 4 4 8 2 2 5 ； U 4 4 6 1 文献标 识码 ： A 钢管混凝土系杆拱桥的出现顺应 了拱桥不断向大 跨度 、 轻型化方向发展 的趋势。飞燕式系杆拱桥是拱 桥 中极具 特色 的一 种 桥型 ， 由 主跨 、 边 跨 、 主 拱 墩 及 系 杆 四大部分组成。主跨为中承式钢管混凝土拱 ， 跨度 较大 ， 矢跨比也较大； 两边跨为半跨悬臂上承式拱， 跨 度较小 ， 矢跨 比也较小 ； 主跨 、 边跨拱脚均固结于桥墩 ， 通过锚固于两边跨端部 的系杆 ( 索) 来平衡主拱的大 部 分水 平推 力 。由于 钢管 混 凝 土 拱桥 跨 度 大 ， 质 量 轻 ， 其本身刚度小 ， 同时在设计 中又很少考虑其动力特 性 ， 从而给此类拱桥的运营带来安全隐患。目前 ， 关于 该 类 桥型设 计 与施工 方 面 的文 献 报 道 较 多 ， 而对 成 桥 后结构 自身 固有动力特性进行分析的文献还较少。本 文 以一座新 建 五跨 连续 自锚 飞燕 式钢 管混凝 土 系杆拱 桥为研究对象 ， 通过对成桥后 的动载试验 ， 得出其 自身 的动力特性 ， 并结合理论计算分析， 评定成桥的结构特 性 和设计 效果 。 1 桥梁结构概述 本新建大桥位于浙江绍兴袍江经济技术开发 区， 主桥为带飞燕式边拱 的三跨连拱中承式钢管混凝土系 杆拱桥。跨径为 4 0 m+ 31 8 5 m+ 4 0 m， 拱轴线形式 为二次抛物线 ， 矢跨 比为 1 4， 拱肋截 面形式 为桁 架 式。桥面宽 4 5 m， 设 1 5 横坡 ， 双向 2 1 纵坡 ， 中 跨跨中设 R=4 0 0 0 m 竖 曲线 。设 计车 辆荷载 为汽 超一 2 0， 挂 1 2 0 ， 人 群活载 为 4 0 k N m 。 上下游拱肋位置处各设 6根柔性系杆以平衡拱肋 的水平推力。系杆采用欧维姆公 司生产的 O V MX G 收稿 日期 ： 2 0 1 1 0 8 1 9 ； 修回 日期 ： 2 0 1 1 - 1 0 0 8 作者简介 ： 李闯( 1 9 8 3 一 ) ， 男 ， 河南泌 阳人 ， 硕士研究生。 K 1 5 3 7 B型环 氧喷涂钢 绞线成 品索 ， 钢 丝公称 强度 1 8 6 0 MP a。 吊杆 为可 换 式 双 吊杆 。规 格 为 28 5 6 7 ， 钢 丝公 称强 度 1 6 7 0 MP a ， 外包 P E护套 。 2 理论计算和动力性能试 验 2 1 理论 计算 1 ) 模态分析理论 模态分析是进行动力响应分析 的基础 ， 钢管混凝 土拱桥模态分析通常采用有 限元法， 求解结构 的 自振 频 率和 振型 。 模 态理论 是运 用 固有 振 型 矩 阵 的正 交 性 ， 对 振 动 系统运 动微分 方程 的各 系数 矩 阵解 耦 ， 使各 系数 矩 阵 对角化 ， 从而使多自由度的复杂结构成为多个单 自由 度系统的叠加 。无阻尼 自由振动体系的运动方程 mi g ”+k u =0 ( 1 ) 式中， m， k分别为系统的总质量矩阵 、 刚度矩阵 ； U为 系统 自由度 的广 义坐标 列 阵 。 式 ( 1 ) 的通解 为 l f=As i n ( +0 ) ( 2) 系统 的特征 方程 为 一 Ca ) m =0 ( 3 ) 由式 ( 3 ) 求出系统的固有频率 =2 ( i= 1 ， 2 ， 3 ， ， n ) ( 4 ) 根据以上模态理论的基本方程来研究桥梁结构的 自振特性 ， 首先应建立桥梁的空间力学计算模型， 然后 计算 出结构各阶的振型、 频率等主要模 态参数来进行 分 析 。 2 ) 建立计算模型 4 根 据本桥 的结 构 形 式 和 受 力 特 点 ， 利 用 MI D A S 2 0 1 2年第 1 期 某飞燕式钢管混凝 土系杆拱桥动力特性分析 1 5 C i v i l 建立桥梁的空间分析模型 ， 如图 1所示。模型 中 桥面系； 采用只受拉单元模拟 吊杆和系杆 。本次计算 采用梁单元和板单元模拟 主拱 、 边拱 以及 吊杆横梁和 中将两根相邻的吊杆简化为一根处理。 图 1 MI D A S C i v i l 飞燕式钢 管混凝土拱桥模型 3 ) 计算分析 通过已建立的空间有限元模型可以计算该桥的结 构 自振参数。一般来说 ， 桥梁结构前几阶的 自振频率 和振型对其动力性能起着重要的控制性作用 ， 因此 只 对结构的前几阶的 自振特性进行分析。利用 MI D A S C i v i l 的模态分析功 能求 出了 中跨结构 前 5阶 的 自振 频率和振型， 其 自振特性分析结果如表 1所列。此处 还列 出了前 5阶的部分振型 ， 如图 2 、 图 3所示 。 表 1成桥状态 自振频 率及振 型特征 ( 前 5阶) 图 2面内一 阶反对 称振型 图 3 面内扭 转振型 2 2 动力性能试验 1 ) 试验 目的及内容 脉动试验 目的： 测 试全 桥 的 自振 特性 和 动力 响 应 ， 旨在 了解桥梁结构 的固有振动特性 和动力性能 ， 评定桥梁 的结构状 态 ， 并 为桥梁 的竣 工验收 提供 可 靠 的依据 。 脉 动试 验 内容 ： 测 量 主桥 的 自振频 率 、 振型等 。 2 ) 试 验测 点 布置 以中跨 为对 象介绍 脉 动试验 测点 的布 置 ： 桥 面上 、 下游侧分别等距离布置 1 1个测点； 拱肋上、 下游侧分 别等距离布置 9个测点 ， 其中拱座两点假定为固定点， 不需测量 。在各个测点上布置横 向、 竖 向加速度传感 器， 整跨共 3 6个测点需要测量 ， 见图 4所示。 图 4 单侧脉动测点布置示意 3 ) 试验 原理 及设 备 脉动试验是通过在桥上布置高灵敏度的拾振器 ， 首先记录桥梁结构在环境激励下 ， 如风、 水流、 地脉动 等引起的桥梁振动 ， 然后对记录的振 动时程信号进行 处理 ， 并进行时域和频域分析， 求取桥梁的结构 自振特 性 。脉 动试验 假设 环 境 激 励 为平 稳 的 各 态历 经 ， 在 低 频段 ， 环境振动的激励谱比较均匀， 环境激励 的频率与 桥梁 自振频率一致或接近时， 桥梁容易吸收环境激励 的能量 ， 使振幅增大； 而环境激励的频率与桥梁 自振频 率相差较大时， 由于相位差较大 ， 有相当一部分能量相 互抵消 ， 振幅较小。在环境激励下 ， 通过对桥梁响应信 号多次功率谱平均分析 ， 可得到桥梁的各 阶自振频率 ， 再利用各个测点的振幅和相位关系 ， 求得桥梁各 阶模 态 相 应 的振型 。 本 桥 动力 测试设 备 采用 经过 严格标 定 的南 京安 正 C R A S系统。C R A S系统有信号示波功能， 可以将各个 通道的检测信号实时显示在计算机屏幕上 ， 各通道有 无信号， 信号的质量如何 ， 一 目了然 。如某一通道存在 问题 ， 可立即发现 ， 并予 以解决 ， 保证 了试验数据采集 的连续性及正确性。 1 6 铁道建筑 4 ) 试验数据分析 通过对采集到的脉动信号进行剪切 、 滤波、 加窗、 细化等处理 ， 经频域和时域分析 ，得到 了本桥 中跨结 构 前 5阶 自振 频率 和 振 型 。振 型 如 图 5所 示 ， 实 测 自 振 频率列 于 表 2 。 ( a ) 面外一阶对称模态 ( b ) 面外一阶反对称模态 ( c ) 面内一阶反对称模态 ( d ) 面内扭振模态 ( e ) 面 内一阶对称模态 图 5 实测成桥状态振型 表 2实测成桥状态 自振频率及振型特征 ( 前 5阶 ) 对比表 1 、 表 2可知， 各阶实测频率均大于理论计 算频率 ， 说明桥梁各向刚度满足要求 。各阶模态 的理 论 计 算 振 型 和 试 验 实 测 振 型 基 本 相 同 ， 这 表 明利 用 MI D A S C i v i l 对桥梁结构进行建模时的单元选取和结 构简化是科学合理的。 3 结论 1 ) 从 各 阶振 型可 以看 出 ， 飞 燕 式 系杆 拱桥 的振 动 主要有拱肋的面外振动、 桥梁整体的竖 向振动和扭转 振动 3种形 式 。 2 ) 在桥 梁 的振 动 中首 先 出现 的是 拱 肋 的 面外 振 动 ， 且面外 自振基频小于面内基频 。这是 由于钢管混 凝土拱桥拱肋的面外刚度相对较小 ， 而桥梁面内、 外刚 度相差又 比较大的缘故。 3 ) 由于桥面系面外刚度相对较小 ， 而面内刚度较 大 ， 反映在振型特征上有侧弯变形 。飞燕式 系杆拱桥 的桥面系通过 吊杆 、 系杆与钢管混凝土拱肋连成 了整 体结构 ， 从振型上可以看出桥 面的竖 向振 动为该桥梁 体系的整体竖 向振动。 4 ) 主桥竖 向第 一 阶频 率 为 1 2 0 H z ， 振 型 面 内一 阶反对称 。该 振型 是导致 此类 桥梁 失稳 的 主要 因素之 一 。因此， 在使 用 过 程 中， 应 避 免 1 2 0 H z左 右 的 共 振 。 5 ) 本桥结构各阶实测 自振频率均高于理论计算 值 ， 说明成桥结构的动力特性优 良、 整体刚度优于设计 值 ， 成桥状态满足设计要求。 参 考 文 献 1 陈宝春 ， 郑怀颖 钢管混凝 土飞鸟式拱桥桥型分析 J 中外 公路 ， 2 0 0 6 ( 1 2 ) ： 4 3 5 0 2 李国豪 桥梁结构稳定与振动 M 北京 ： 中国铁道 出版社 ， 2 O1 0 3 王海 良， 李 自林 中承式钢 管混凝 土拱桥 自振 特性分析 J 铁道建筑 ， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 1 7 1 9 4 熊红霞 ， 邓玉梅 飞鸟式钢管混凝土拱桥 白振特性的模态分 析 J 交通科技 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 1 - 3 5 叶张颜 上承式箱 型混凝 土拱桥荷 载试验分 析 J 交通科 技 ， 2 0 1 0 ( 6 ) ： 1 4 1 5 6 许君 臣 中承式钢管混凝 土拱桥荷 载试验 J 中国市政工 程 ， 2 0 0 5 ( 1 ) ： 2 O 一 2 3 ( 责任 审编孟庆伶)