大跨连续刚构桥施工阶段动力与稳定性分析.pdf

文章编号:()收稿日期:网络首发日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研发计划项目()作者简介:畅芙蓉()女山西运城人助理工程师研究方向为桥梁工程施工技术:.引文格式:畅芙蓉.大跨连续刚构桥施工阶段动力与稳定性分析.铁道建筑技术():.大跨连续刚构桥施工阶段动力与稳定性分析畅芙蓉(中铁十八局集团第一工程有限公司 河北涿州)摘 要:以磴口黄河特大桥为例运用现场实测和数值模拟相结合的手段研究施工荷载、风荷载等随机环境激励下大跨度连续刚构桥梁在施工阶段的动力特征及稳定性结果表明:随着悬臂浇筑长度的增加 构悬臂梁的峰值加速度不断增加自振频率呈非线性降低随着振动阶次的增加 构悬臂梁的自振频率不断增加在最大悬臂施工阶段 构悬臂梁的自振频率实测值与数值计算值的误差范围为.构悬臂梁在前 阶次即出现了横向扭转振型容易发生横向扭转失稳随着墩高的增加 构桥在最大悬臂阶段的稳定系数呈指数降低而随着墩身平面宽长比的增加稳定系数则呈分段式增加在不同的墩高和墩身几何形状条件下荷载组合均对桥墩的稳定性系数影响不大关键词:大跨度 连续刚构桥 施工阶段 动力响应 稳定性分析 自振频率中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言连续刚构桥是具有悬臂受力特点的墩梁固结梁式桥在跨越山谷与河流时为满足通航或高程要求一般采用大跨设计以及挂篮悬臂浇筑施工工艺 由于大跨连续刚构桥在施工期间受到各种荷载和振动的作用如施工原材料的负荷、施工机械和人员的震动、施工工艺的冲击负荷等其结构振动的动力特性问题和稳定性问题不容忽视 大跨连续刚构桥的振动是结构体系的变形能与运动能相互转换的周期性过程动力特性参数自振频率则在一定程度上反映了桥梁刚度大小而高墩大跨连续刚构桥的稳定性与动力特性一样也是结构的重要特性高大桥墩和长度大的悬臂使得结构在经过微小的扰动后即可产生迅速增大的变形从而导致失稳和破坏因此大跨连续梁桥的动力特性和稳定性分析日益受到研究者的关注 晁铁彦等依托石川河特大桥工程以桥墩高度和墩身壁厚为敏感性参数研究了空心薄壁墩身连续刚构桥的全过程稳定性指出墩高的增加会导致桥梁稳定性的减小而空心墩身壁厚的增加则对稳定性影铁道建筑技术 ()畅芙蓉:大跨连续刚构桥施工阶段动力与稳定性分析响不大周泽箭依托阳朔至鹿寨段高速公路西牛大桥工程运用数值模拟手段分析了曲线大跨度连续刚构桥施工阶段的动力特性和稳定性指出桥梁结构的自振频率与桥梁曲线半径成正比与上部结构的横向刚度成反比挂篮跌落的情况下桥梁屈曲特征值最小郑一峰等依托长白山国际旅游度假区主跨 三跨刚构连续梁桥工程分析桥梁结构在最大悬臂状态下受阵风风速影响的动力特性并提出了抖振力简化计算方法 本研究结合实际工程案例在分析大跨连续刚构桥动力特性及稳定性的计算基本原理基础上综合运用现场实测和数值模拟手段研究最大悬臂状态下桥梁结构的加速度、加速度频谱、自振周期变化规律以及分析桥梁墩高和墩身几何形状对稳定性的影响 研究成果可为大跨连续刚构桥的设计和施工提供参考 工程概况新建包头至银川高铁包头至惠农段磴口黄河特大桥位于内蒙古自治区巴彦淖尔市磴口县线路级别为双线客运专线设计目标时速为 桥梁全长.桥梁下游距包兰铁路三盛公黄河铁路大桥.主桥为()钢混混合连续梁主桥里程范围 .、.处采用()构跨越黄河主河槽及边滩墩位为 墩、墩块分别位于墩、墩和墩墩高 黄河主河槽水面宽度约 水深约.构主梁计算跨度为(.)支座中心线至梁端.梁全长 ()构主梁梁部共分 个节段其中 个边墩支架现浇段和 个 块现浇段其余为挂篮悬浇节段除 块外节段左右对称编号即从墩顶位置向两侧跨中均按 的编号划分节段 主梁中支点截面中心处梁高.截面采用单箱单室、变截面自腹板形式箱梁顶部宽度.、底部宽度.顶板厚度除梁端附近及中支点附近外均为.腹板厚度按.、.、.的折线变化中支点处横隔板厚度.底板厚度按二次抛物线变化从梁端.增加至根部的.中墩墩顶 节段长 悬浇节段长为.、.、.、.边墩支架现浇段长.大跨连续刚构桥动力特性及稳定性分析基本原理.大跨连续刚构桥动力特性分析基本原理多自由度体系的桥梁动力方程与桥梁结构的质量、阻尼、刚度有关并可表示为位移、位移一阶导数(速度)、位移二阶导数(加速度)的控制性方程如公式()所示:()()式中:为桥梁结构的质量矩阵 为桥梁结构的阻尼矩阵 为桥梁结构的刚度矩阵()为作用于桥梁空间梁单元的荷载向量为桥梁结构的振动加速度向量为桥梁结构的振动速度向量 为桥梁结构的位移向量对于桥梁结构的无阻尼自由振动桥梁结构的阻尼刚度为零作用于桥梁空间梁单元的荷载向量为零由此得到:()对于多自由度体系的运动方程()存在非零解的基本条件为:()式中:为桥梁自振频率其反映了结构的固有动力特性.大跨连续刚构桥稳定性分析基本原理桥梁结构的稳定性问题是施工阶段重要控制性内容考虑大变形问题的压弯构件位移法结构平衡方程如公式()所示:()()式中:为位移矩阵、分别为桥梁结构单元的弹性刚度矩阵、几何刚度矩阵和大位移刚度矩阵为单元切线刚度矩阵即刚度矩阵、之和为荷载矩阵在压弯构件发生线性屈曲之前其变形与自身尺寸相比可以忽略不计因此公式()中的大位移刚度矩阵 趋于零几何刚度矩阵 与外荷载产生的应力成正比例关系当压弯构件临近屈曲时荷载矩阵 趋向于零而位移矩阵 则有非零解由此得到:()设压弯构件发生屈曲的临界荷载为 屈曲荷载系数为 则对应的几何刚度矩阵为 代入公式()可以得到线性屈曲控制方程如公式()所示:()公式()的最小特征值即为压弯构件的稳定系数相应的特征向量即为屈曲模态 大跨连续刚构桥施工阶段动力特征分析.基于现场实测的最大悬臂施工阶段动力特征分析连续刚构桥在施工过程中受到施工荷载、风荷载等随机环境激励桥梁结构的动力特性发生变化进而影响施工阶段的稳定性 在整个连续刚构桥梁施工阶段中最大悬臂施工阶段是最不利工况因此分析该阶段的桥梁结构动力特征具有十分重要的意义 目前表征桥梁结构动力特性的参数众多如振动加速度、自振频率、铁道建筑技术 ()畅芙蓉:大跨连续刚构桥施工阶段动力与稳定性分析阻尼比、振型等研究结合施工实际条件采用现场实测与数值模拟相结合的方法对这些参数进行分析现场试验测试采用脉动法测试设备为 远程无线环境激励试验模态测试分析系统在桥梁顶板边缘布置高灵敏压电式加速度传感器采集振动加速度作为结构的激励响应采样速率为 分析频率为 利用以太网传输数据通过中继传输距离可以达到 以上试验数据存储在计算机终端后运用 桥梁模态分析软件进行数据后期处理获得桥梁的振型、自振频率和阻尼比等数据 加速度传感器的布置原则是在顺桥向每个拼装节点断面为一个监测断面每个断面布置 个测点均布置在混凝土顶板边缘每个节段的加速度传感器均在悬臂浇筑 后开始采集且避开中午高温时段每组测试数据的采集时间为 以节段(悬臂根部)、节段(悬臂中部)和节段(最大悬臂位置)为例现场采集的振动加速度时程曲线如图 所示 从图 中可以看出在连续刚构桥纵向上悬臂浇筑的长度越大结构的加速度也越大在节段位置其峰值加速度为./在节段位置其峰值加速度为./在节段 位置其峰值加速度为./图 个典型断面的加速度时程曲线拾取结果运用 桥梁模态分析软件对拾取的加速度时程曲线进行快速傅里叶变换得到加速度频谱分布图总体反映梁段在分析频率范围内的模态阶次及对应的频率如图 所示 拾取频谱曲线首峰峰值即为结构的自振频率从图 中的 个断面的加速度频谱曲线峰值拾取可以得到在节段位置其自振频率为.在节段位置其自振频率为.在节段位置其自振频率为.图 个典型断面的加速度频谱曲线图 为施工至最大悬臂阶段桥梁前 阶次的自振频率变化曲线 从图 中可以看出在同一自振阶次条件下随着挂篮悬臂浇筑长度的不断增加桥梁结构的自振频率呈非线性降低以 阶次为例施工完节段 后自振频率为.而施工至最大悬臂时(节段 完成)自振频率为.降幅达到.各阶次自振频率曲线均在节段之后趋于收敛且在施工至节段 节段时自振频率存在明显的剧烈下降段这是因为此段梁结构变化明显 构梁截面几何尺寸发生曲线收敛导致连续刚桥的动力性能也随之变化在相同的节段位置处随着振动阶次的增加悬臂梁的自振频率也不断增加图 施工至最大悬臂阶段不同自振阶次的自振频率变化.基于数值模拟的最大悬臂施工阶段动力特征分析为了更全面地研究大跨连续刚构桥悬臂浇筑时悬臂梁的振型以及自振频率的变化规律基于连续刚构桥动力特性分析基本原理运用数值模拟手段对桥梁最大悬臂施工阶段的动力特性进行分析 计算时考虑荷载组合为结构自重 风荷载 施工荷载 两侧挂篮 施工差荷载其中结构自重荷载计算时重度取为 /横桥向风荷载对称施加取为./顺桥向风荷载按横桥铁道建筑技术 ()畅芙蓉:大跨连续刚构桥施工阶段动力与稳定性分析向的 计算取为./湿重取为.挂篮采取两侧对称施工挂篮荷载取为 施工荷载主要为梁体材料堆放荷载以及人员荷载按均匀分布考虑取为./施工差荷载为.计算得到连续刚构桥最大悬臂施工阶段前 阶次的自振频率及振型如表 所示 从表 中可以看出 构悬臂梁的自振频率变化规律与现场实测结果基本一致在最大悬臂施工阶段桥墩上部 构悬臂梁的质量达到最大结构的抗扭刚度降低到最小主梁在墩梁结合处可以形成较大的转动惯量因此随着 构悬臂梁振动阶次的增加桥梁结构的自振频率也不断增加自振周期不断减小 构悬臂梁在前 阶次即出现了横向扭转振型且出现时间早于纵向弯曲振型表明在横向风荷载作用下 构悬臂梁容易发生横向扭转失稳表 最大悬臂施工阶段悬臂梁前 阶次自振频率及振型数值模拟计算结果阶次自振频率/自振周期/振型 阶次.横向扭转 阶次.横向扭转 阶次.横向扭转 阶次.纵向弯曲 阶次.纵向弯曲 图 为施工至最大悬臂阶段悬臂梁自振频率数值模拟与现场实测对比 从图 中可以看出在最大悬臂施工阶段 构悬臂梁的自振频率实测值与数值模拟结果基本一致两者的误差范围为.图 施工至最大悬臂阶段悬臂梁自振频率数值模拟与现场实测对比 最大悬臂施工阶段墩身屈曲稳定性分析.墩高对屈曲稳定性的影响桥梁的屈曲稳定性分析是为了评估桥梁结构在受到压力作用时是否能够保持稳定 基于连续刚构桥稳定性分析基本原理运用数值模拟手段对桥梁最大悬臂施工阶段的墩身屈曲稳定性进行分析计算时设置 种不同的计算荷载工况分别是工况:自重 横桥向风荷载 施工荷载 两侧挂篮工况:自重 横桥向风荷载 施工荷载 单侧挂篮工况:自重 纵桥向风荷载 施工荷载 双侧挂篮工况:自重 纵桥向风荷载 施工荷载 单侧挂篮 各分项荷载的取值与最大悬臂施工阶段动力特征数值模拟一致设置 种不同的墩身高度分别为、连续梁桥最大悬臂施工阶段的稳定系数计算结果如图 所示图 不同荷载组合工况下墩高对屈曲稳定性的影响从图 中可以看出随着墩高的增加不同荷载组合工况下 构桥在最大悬臂阶段的稳定系数均呈指数降低的趋势结构产生失稳的概率也不断增加本研究中的墩身高度为 不同荷载组合下的稳定系数约为.具有较高的稳定性因此对于调整桥梁设计高度时具有一定的稳定性余量不同荷载组合条件下桥墩的稳定性系数变化不大且桥梁的屈曲模态均表现为纵向弯曲由此表明风荷载的方向以及挂篮荷载对大跨连续刚构桥的稳定性影响可以忽略不计.墩身几何形状对屈曲稳定性的影响为了研究墩身几何形状对最大悬臂施工阶段墩身屈曲稳定性的影响设置了 种不同的几何形状即桥墩顺桥向宽度与横桥向长度比值分别为.、.和.桥墩高度设置为 得到墩身几何形状对屈曲稳定性影响的计算结果如图 所示图 不同荷载组合工况下墩身几何形状对屈曲稳定性的影响(下转第 页)铁道建筑技术 ()杨巾人:基于 法的基坑工程造价风险评估分析以计算得到考虑综合风险因素的深基坑的造价 因此基于层次分析法的基坑工程全过程造价分析评判方法不仅在理论上具有重要的指导价值而且在实际应用中也为深基坑工程管理和决策提供了有力支持参考文献 刘波王凯强黄冕等.地铁深基坑工程风险模糊层次分析研究.地下空间与工程学报():.边亦海黄宏伟.深基坑开挖引起的建筑物破坏风险评估.岩土工程学报():.冯江宇.基于 的深基坑与高铁协同预警系统研究.铁道建筑技术():.王建波牛发阳赵佳等.基于 神经网络的地铁深基坑施工风险评估.建筑技术():.郑志民.市政公用工程深基坑围护结构造价风险.石家庄铁道大学学报():.黄宏伟顾雷雨.基坑工程风险管理研究进展.岩土工程学报():.王庆.地下工程建设项目全过程造价风险评价研究.南宁:广西大学.谭文博郭海湘宫培松等.基于本体和案例推理的深基坑施工安全风险评估.工程管理学报():.张振中.基于改进 熵值法的地铁车站深基坑施工风险评估.现代隧道技术():.张振波宋太森郑筱彦等.基坑风险评估的全客观过程层析分析计算方法.地下空间与工程学报():.张胜昔陈为公王会会等.基于 的深基坑施工风险评价.土木工程与管理学报():.包小华付艳斌黄宏伟.深基坑开挖过程中的风险评估及案例分析.岩土工程学报():.周红波.基于贝叶斯网络的深基坑风险模糊综合评估方法.上海交通大学学报():.(上接第 页)从图 中可以看出随着墩身平面宽长比的增加不同荷载组合工况下 构桥在最大悬臂阶段的稳定系数均呈分段式增加的变化趋势宽长比小于等于.时稳定系数的增速较大而在宽长比大于.时稳定系数的增速相对减小与墩身高度对屈曲稳定性影响的规律一致不同荷载组合条件下桥墩的稳定性系数变化不大由此表明风荷载的方向以及挂篮荷载对大跨连续刚构桥的稳定性影响可以忽略不计 结论以新建包头至银川高铁包头至惠农段磴口黄河特大桥为研究对象运用现场实测和数值模拟相结合的手段研究施工荷载、风荷载等随机环境激励下大跨连续刚构桥梁在施工阶段的动力特征及稳定性得到以下几个结论:()随着挂篮悬臂浇筑长度的不断增加桥梁结构的峰值加速度不断增加自振频率呈非线性降低各阶次自振频率曲线均在节段 之后趋于收敛且在施工至节段 节段 时自振频率存在明显的剧烈下降段在相同的节段位置处随着振动阶次的增加悬臂梁的自振频率也不断增加()在最大悬臂施工阶段 构悬臂梁的自振频率实测值与数值模拟结果基本一致两者的误差范围为.构悬臂梁在前 阶次即出现了横向扭转振型且出现时间早于纵向弯曲振型表明在横向风荷载作用下 构悬臂梁容易发生横向扭转失稳()随着墩高的增加 构桥在最大悬臂阶段的稳定系数呈指数降低的趋势而随着墩身平面宽长比的增加稳定系数则呈分段式增加的变化趋势在不同的墩高和墩身几何形状条件下荷载组合均对桥墩的稳定性系数影响不大参考文献 许洋尹紫红聂家威.基于均匀试验的高墩大跨连续刚构桥施工控制参数的敏感性分析.公路():.范学军赵克程.大跨高墩连续刚构桥施工阶段动力特性分析.中国水运(下半月)():.舒永涛宁晓骏熊丽婷.高墩大跨度连续刚构桥稳定性及其影响因素分析.科技通报():.赵大永.大跨度连续梁桥动力特性分析.大连:大连理工大学:.朱良清杨艳陈裕波.大跨度不对称连续刚构桥悬臂施工技术研究.科技通报():.梁媚.连续刚构施工过程模拟和动力特性分析.重庆:重庆交通大学:.晁铁彦沈艺宁刘来君等.空心薄壁高墩连续刚构桥全过程稳定分析.科学技术与工程():.周泽箭.高墩大跨连续刚构弯桥结构稳定性和动力分析.长沙:长沙理工大学:.郑一峰赵群暴伟等.大跨径刚构连续梁桥悬臂施工阶段抗风性能.吉林大学学报(工学版)():.王伟.大跨度连续刚构桥施工阶段动力特性分析.北方交通():.王荣霞王雅静曹宏琨等.三跨斜交连续小箱梁桥动力特性分析及试验.地震工程与工程振动():.湛发益贺国京陈爱军等.预应力混凝土连续梁桥静动力特性试验分析.铁道科学与工程学报():.缪为刚.水中大跨变截面钢箱连续梁桥施工技术研究.铁道建筑技术():.宋满满.横风作用下车桥耦合系统动力响应研究.铁道建筑技术():.铁道建筑技术 ()