大跨径钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析.pdf

5 2 桥梁结构 城 市道桥与 防洪 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 大跨径钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析 宋 晓 好 ( 绍兴 袍江大 桥建设 工程 指挥部 ， 浙 江绍 兴 3 1 2 0 7 1 ) 摘要 ： 该文 介绍 了利用 MI D A S C i v i l 建立 袍江 大 桥空 间模 型。其 主拱 、 边 拱 、 吊杆 横梁 和桥 面 系采用 梁单 元 、 板单 元模 拟 ， 吊 杆 和系 杆用 只受拉 单元模 拟 ， 并对其 进行模 态分 析提 取桥跨 自振 特性 。与实 测值进 行 比较 ， 查 看基本 振动 形态 ， 得 出该桥 实测 模态与理论计算模态较吻合 ， 且面内振动频率符合简化计算公式规律 ， 该桥动力特性优 良。 关键词 ： 飞燕 式 钢管混凝 土 拱桥 ； 有 限元 ； 自振特性 ； 模 态分 析 ； 袍 江大桥 ； 绍 兴市 中图分类号： U 4 4 8 2 2 + 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 0 3 - 0 0 5 2 - 0 2 0 前 言 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 。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 面的文献报道已较多， 但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 以绍兴市袍 江大桥( 五跨飞燕式钢管混凝土拱桥 ) 为研究对象， 通过对成桥模态试 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 桥梁概 述 袍江 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 的五跨连拱 中承式钢 管 混凝土系杆拱桥 。跨径 为 4 0 m + 3 X 1 8 5 m 4 0 i n ， 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 I n ， 吊杆横梁通过湿接 头与桥面板联成整体 ，在承受二期恒载和活载时 成为钢 昆叠合梁 。设 计荷载为汽车一超 2 0级 ， 挂 车一1 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 。吊杆为可换式双吊杆 。 2 理论计算 2 1 计算模型 根 据 该 桥 的结 构 形 式 和 受 力 特 点 ，利 用 MI D A S C i v i l 建立桥梁的空间分析模 型 ，如 图 1 所 收稿 日期 ： 2 0 1 2 一 O 1 一 O 9 作者简 介： 宋 晓妤 ( 1 9 6 9 一 ) ， 女 ， 浙 江绍 兴人 ， 高级工 程师 ， 从 事 道桥 工程建 设施 工管理 工作 。 示。 模型中采用梁单元和板单元模拟主拱 、 边拱及 吊 杆横梁和桥面系； 采用只受拉单元模拟 吊杆和系杆。 在计算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 2 2 模态分析 利用 MI D A S C i v i l 软件模态分析功能 ，提取该 桥前 5 阶模态参数( 频率、 振型) 。 该桥前 5 阶模态参 数见表 1 所示 ， 前 5阶振型如图 2 6所示 ， 包括面 外一阶对称模态、 面外一阶反对称模态、 面内一阶反 对称模态 、 面内扭振模态 、 面内一阶对称模态。 表 1 成桥 状态 自振频 率及振型特 征( 前 5阶) 一 览表 图 2面外一 阶对称振型 图 图 3 面外 一阶反对称振 型图 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 城 市道桥 与防洪 桥梁结构 5 3 图 4 面 内一 阶反 对称振型 图 图 5 面 内扭转 振型 图 3 脉动试验 图 6 面 内一 阶对称振 型图 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。 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 了该桥 中跨结构前 5阶 自振频率和振型 。实测 自振频率 列于表 2 ， 振型如图 7 图 l l 所示 。 表 2实测成桥 状态 自振 频率及振 型特征( 前 5阶) 一 览表 I ， 一 ， 、 、 一 一一 _ _ y 一 一 图 7 面 外一 阶对 称模态 图 8 面外 一阶反对称模 态 图 9 面 内一 阶反对 称模态 图 1 o 面 内扭振模 态 图 1 1 面 内一 阶对 称模态 4 面内振动特性分析 大跨 径 中承式 钢管混凝 土拱桥 面内振动频率 的简化计算公式如下 ： 反对称基频 ，对称基频 ：据简化计算公式可 得该桥面内反对称及对称频率分别为 0 8 6 H z 、 1 3 7 H z 。与计算值 0 9 0 、 1 3 3较为接近， 该桥理论 计算频率较符合实际。 5 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 、面内振动和扭转振 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， 且面外振动基频小于面内基频。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 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 5 4 桥梁结构 城 市道桥 与防洪 2 0 1 2 年 3 月第 3 期 体外预应力索 自由长度分析 王寿生 ( 上 海市政 工程设 计研 究总 院( 集 团 ) 有 限公 司 ， 上海 市 2 0 0 0 9 2) 摘要 ： 转 向块 ( 锚 固端 ) 间 的体外 预应力 索可 能产生 独立 于梁 的振动 ， 若其频 率 与梁 的固有频率 接近 ， 就 可能发 生共振 。当频 率 相近 时 ， 改 变粱 的截面 特性 或体外 索的 正常使 用应力 都不 是好 的解 决办 法 ， 而通 过改变 体外 索 的约束 长度 来改 变其 固有 频 率 ， 在经 济 、 效 果及 可行性 方 面 ， 都 不失 为一个 理想 的方法 。体外 索的无 侧 向支 承的 自由长 度不 应过 大 ， 根据 常见 桥梁频 率 和 我国钢绞线的使用情况， 体外索可控制在 1 2 m之内， 这样桥梁和体外索的自振频率就相互错开， 也就避免了共振问题 。 关键词 ： 体外预应力； 共振； 频率 ； 自由长度 中图分 类号 U 4 4 1 5 文献标 识码 ： A 文 章编 号 ： 1 0 0 9 7 7 1 6 ( 2 0 1 2 ) 0 3 0 0 5 4 0 4 0 前言 当体外预应力桥梁结构自振频率处于某些范 围时 ， 外荷载 ， 包括行驶 车辆 、 行人 、 地震风载 、 海 浪冲击等可能会引起体外预应力结构共振，使得 乘客和行人感觉不舒服 ，甚至振幅过大危及体外 预应力桥梁安全运 营。利用结构的 自振频率与其 刚度和质量有着确定 的关 系 ，在设计时就要避免 引起体 外预 应力 混凝 土结 构共 振 的强迫 振动 振 源， 如风、 车辆等的频率与桥跨 自振频率耦合。特 别应指 出的是若要研究体外预应力结构病害诊 断 ，实 际也可 以体外预应力结构或构件 固有频率 的改变为依据 的。体外和体 内预应力结构在结构 构造上 的根本 区别就是预应力 索位 于混凝 土结构 的外部 ， 仅在锚 固及转向块处可能与结构相连 ， 因 此， 体外索的应力是由结构的整体变形所决定的； 而在体内有粘结预应力结构中，力筋位于混凝土 结构的内部 ， 与结构完全粘结， 在任意截面处都与 结构变形协调 ，因此力筋 的应力是与某个混凝土 截面息息相关的 。一般 的研究对体 内预应力筋是 不被看作一个单独构件 的。而体外索在混凝土体 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 1 2 1 9 作者简介： 王寿生( 1 9 7 8 一) ， 男 ， 安徽桐城人 ， 工程师 ， 从事桥 梁 和地下 结构 设计 工作 。 外 ，自然成为一个 相对 于组成结构整体 的单独构 件。所以在承受动力荷载的体外预应力结构设计 中 ， 必须考虑到体外索与结构是独立振动 的， 应防 止二者共振， 而且当体外预应力索在动力荷载( 如 车辆等) 作用下发生共振时， 就易发生锚具的疲劳 破坏 和转 向构件处的预应力筋的弯折疲劳破坏 。 也就是说 ， 体外预应力索仅在锚 固和转 向块处 受到约束 ， 当梁受到活载作用时， 转向块( 锚固端 ) 间的预应力筋索可能产生独立于梁的振动，如果 体外索的固有频率和梁的固有频率接近 ，就可能 发生共振。共振不仅影响梁的正常使用， 甚至导致 体外索断裂 ， 梁破坏 。所 以应该采取构造上的措施 来避免体外索和梁 发生共振 ，其 中体外索锚 固块 与转 向块之间或两个 转向块之 间的 自由段 长度 的 确定就是非常重要 的一个 问题 ，以确保体外索 的 自振频率和结构本身的频率相互错开，从而避免 共振和疲劳破坏的发生。 1 体外索自由长度的确定 下面作者就将通过较为详细 的理论分析 ， 得 出 在实际工程设计 中 ，体外索锚 固块与转 向块之间 或两个转 向块之间的 自由长度 的建议取值。 1 1 常用体外索的频率 体外预应力索固定于转 向块( 或锚固端) 之间， 不 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 ) 该桥结构各阶实测 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 】熊红霞 、 邓 玉梅 飞鸟式钢 管混凝土拱 桥 自振特性 的模态分 析 J 1 交通科技 ， 2 0 0 7 ， ( 4 ) ： 1 - 3 3 】 周劲草、 严志刚、 盛洪飞 大跨度中承式钢管混凝土拱桥的面内 动力特性分 析 J 公路交 通科技 ， 2 0 0 5， ( 9 ) ： 8 7 8 9 4 4 陈宝春 钢管混凝土拱桥【 M 】 北京： 人民交通出版社， 2 0 0 7 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m