梁 - 拱組合體系橋自振特性分析及參數(shù)研究-

1、鐵道建筑Railway EngineeringAugust ,2008文章編號:100321995(20080820028203梁拱組合體系橋自振特性分析及參數(shù)研究司秀勇1,潘慧敏1,蔣再松1,劉春鳳2,金海江1(1.燕山大學(xué),河北秦皇島066004; 2.中鐵山橋集團有限公司,河北秦皇島066205摘要:以(60+128+60m 和(72+160+72m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋為研究對象,建立空間結(jié)構(gòu)模型,計算并比較連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的自振特性,進(jìn)一步探討了橫撐剛度和拱肋截面形式對連續(xù)梁鋼管拱橋動力特性的影響,為此類橋梁的設(shè)計提供參考。關(guān)鍵詞:連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋自振特性橫撐拱肋中圖分類號:

2、U448121+5;U448122文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 收稿日期:2008202218;修回日期:2008205208作者簡介:司秀勇(1978,男,吉林洮南市人,講師,碩士。鋼管混凝土拱橋利用鋼管的套箍作用,使混凝土處于三向受力狀態(tài),使其承載力大大提高,同時也能提高混凝土的塑性性能。另一方面,混凝土填于鋼管之內(nèi),增強了鋼管管壁的穩(wěn)定性,剛度也遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu),其整體穩(wěn)定性也有了極大的提高。本文以(60+128+60m 和(72+160+72m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋為研究對象,建立空間結(jié)構(gòu)模型,計算并比較連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的自振特性,進(jìn)一步探討了橫撐剛度和拱肋截面形式對連續(xù)梁鋼管拱橋自振特性的影響,為

3、此類橋梁的設(shè)計提供參考。1工程概況111(60+128+60m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋梁體為雙線整體式,采用單箱雙室截面,梁體采用C55混凝土。箱梁頂板寬18m ,底板寬1212m ,靠近支點底板加寬至1416m ?？缰屑斑呏c梁高315m ,中間支點梁高710m ,梁底變高段按二次拋物線變化,曲線方程為y =4f L 20(L 0-x x ,其中L 0=103m ,底板下緣f =315m ,底板上緣f =3105m ,原點在中支點變高段與等高段交點;跨中頂板厚度40cm ,靠近支點局部段加厚至70cm ;跨中腹板厚度在28m 長范圍內(nèi)為40cm ,靠近支點附近加厚至240cm ,中間22m 長

4、范圍內(nèi)為60cm ,其余為80cm ;跨中底板厚度35cm ,支點100cm ,中間按拋物線變化;鋼管拱拱軸線采用二次拋物線,方程為y =-010*x 2+0166666667x ,跨度128m ,矢高211333m ,矢跨比16;拱肋采用啞鈴形截面,鋼管直徑110m ,拱肋全高218m ,兩榀拱肋中心距1218m ;拱肋鋼材采用14MnNbq 鋼E 級;拱肋鋼管及腹腔內(nèi)均填充C50微膨脹混凝土。橫撐采用4道K 撐,3道一字形橫撐。吊桿采用PES (FD 72109,7mm 鋼絲拉索,彈性模量E =2105105MPa ,每根吊桿鋼絲束橫截面面積41195cm 2。橋墩頂帽及托盤采用C30鋼筋

5、混凝土,墩身采用C30混凝土,橋墩采用矩形墩,邊墩墩高為17126m ,墩身縱向?qū)挾葹?15m ,墩身橫向?qū)挾软敹藶?212m ,距墩頂4192m 處為10m ,然后以241的坡度放坡;固定墩和非固定墩墩高為1215m ,墩身縱向?qū)挾葹?15m ,墩身橫向?qū)挾软敹藶?15m 。設(shè)計活載為ZK 活載,二期恒載為158kN m 。112(72+128+72m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋主梁材料為C60混凝土,采用單箱雙室變高度箱形截面,跨中及邊支點處梁高410m ,中支點處梁高815m ,梁高按圓曲線變化。箱梁頂寬1412m ,中支點處局部頂寬1613m ;箱梁頂板厚0142m ,中支點處加厚至1140

6、m 。箱梁采用直腹板,腹板厚分0140m 、0155m 、0170m 三種,中支點處邊腹板局部加厚至1130m 。拱肋采用鋼管混凝土結(jié)構(gòu),拱肋及橫撐鋼管材料為Q345qD 型鋼,拱肋鋼管及綴板內(nèi)填充C50微膨脹混凝土。計算跨度L =16010m ,設(shè)計矢高f =3210m ,矢跨比f l =15,拱軸線采用二次拋物線,設(shè)計拱軸線方程:y =-1200x 2+018。拱肋采用等高度啞鈴形截面,截面高度310m 。拱肋弦管直徑110m ,由=16mm 厚的鋼板卷制而成,弦管之間用=16mm 厚鋼綴板連接,拱肋弦管及綴板內(nèi)填充微膨脹混凝土。兩榀拱肋間橫向中心距1118m 。兩榀拱肋之間共設(shè)9道橫撐,

7、橫撐均采用空間桁架撐,各橫撐由4根450mm 12mm 主鋼管和32根250mm 10mm 連接鋼管組成,鋼管內(nèi)不填充混凝土。吊桿材料為PES (FD 7261型防腐拉索,順橋向間距9m ,全橋共設(shè)15組吊桿。設(shè)計活載為ZK 活載,二期恒載為185kN m 。822有限元模型的建立采用通用有限元軟件MI DAS 建立本橋的空間有限元模型。梁、柱、拱、橫撐和吊桿均采用梁單元模擬。主梁通過支座與橋墩相連;梁墩之間的約束關(guān)系可通過主從節(jié)點進(jìn)行模擬。對于鋼管混凝土組合截面,按抗彎剛度等效的原則,計算組合截面的等效彈性模量1,即E A =E S A S +E C A C(1EI =E S I S +E

8、C I C(2式中:E S 、I S 和A S 分別為鋼管部分的彈性模量、慣性矩和面積;E C 、I C 和A C 分別為混凝土的彈性模量、慣性矩和面積;E 、I 和A 分別為組合截面的折算彈性模量、截面總慣性矩和截面面積。3自振特性計算311基本方程動力分析的運動微分方程組為:M U +K U =0(3式中:M 和K 分別為系統(tǒng)的總質(zhì)量矩陣和剛度矩陣;U 為對應(yīng)于系統(tǒng)的廣義坐標(biāo)列陣;U 為對U 求二次導(dǎo)。式(3的解為:U =A sin (i +(4式中的A 為組合截面面積列陣;i (i =1,2,n 和為系統(tǒng)的固有頻率和相位角。系統(tǒng)的特征列式為:|K -2i M |=0(5312結(jié)果及分析3

9、從表1可以看出:兩座橋的第一階振型均為拱對稱橫振,表明拱的面內(nèi)剛度大于面外剛度。因為拱肋面內(nèi)振動要引起主梁的振動,所以阻力大,頻率高,面內(nèi)振型出現(xiàn)晚于面外振型;連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的面外基頻比面內(nèi)基頻低,說明該類橋梁的橫向剛度比較小,因此連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的橫向穩(wěn)定性問題不容忽視;由于拱肋和主梁的重力方向一致,所以對于面內(nèi)振型,二者的振動基本同步;拱肋的矢跨比、橫撐形式、橫撐剛度以及橫撐的布置不同造成了兩座橋的面外基頻的不同;主梁跨度的不同造成了兩座橋的面內(nèi)基頻的不同。表1L =(72+160+72m 和L =(60+128+60m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋自振特性(72+160+72m 連續(xù)梁

10、鋼管混凝土拱橋(60+128+60m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋階次計算頻率H z振型特點階次計算頻率H z振型特點101446拱一階對稱側(cè)彎101777拱一階對稱側(cè)振201732拱一階反對稱側(cè)彎+扭轉(zhuǎn)211226拱一階反對稱側(cè)彎+扭轉(zhuǎn)311237拱二階對稱側(cè)彎+扭轉(zhuǎn)+主梁橫彎311470主梁豎彎+拱豎彎411324拱對稱側(cè)彎+扭轉(zhuǎn)主梁橫彎411865主梁豎彎+拱豎彎511425主梁一階反對稱豎彎+拱豎彎521160拱二階對稱側(cè)彎+扭轉(zhuǎn)611613主梁一階對稱豎彎+拱豎彎621240主梁一階對稱橫彎711792拱二階反對稱橫彎+扭轉(zhuǎn)721708主梁豎彎+拱豎彎821001墩縱彎831066拱扭轉(zhuǎn)92

11、1136拱扭轉(zhuǎn)931703主梁和拱反對稱豎彎1021322拱對稱橫彎+扭轉(zhuǎn)1031748拱二階反對稱橫彎+扭轉(zhuǎn)4結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)分析411橫撐的影響為了研究(72+160+72m 連續(xù)梁鋼管拱混凝土橋橫撐對自振特性的影響,分別考慮了兩種情況:增加橫撐剛度和減少橫撐數(shù)量。其中增加橫撐剛度又分為剛度總體增加10%,拱腳處橫撐剛度增加10%以及拱頂處橫撐剛度增加10%三種情況;減少橫撐數(shù)量又分為減少靠近拱頂處的一對橫撐和減少靠近拱腳處的一對橫撐兩種情況,計算結(jié)果見表2。表2(72+160+72m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋橫撐的影響橫向基頻H z豎向基頻H z原模型0144611425橫撐剛度全部提高10

12、%0145111425拱腳處橫撐剛度提高10%0144911425拱頂處橫撐剛度提高10%0144711425減少靠近拱腳處的一對橫撐0140911425減少靠近拱頂處的一對橫撐0142811426為了研究(60+128+60m 連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋橫撐對自振特性的影響,分別考慮了改變橫撐位置、改變K 撐數(shù)量以及增加橫撐剛度這三種情況。其922008年第8期梁拱組合體系橋自振特性分析及參數(shù)研究中改變K撐數(shù)量又分為減少靠近拱頂、靠近拱腳的K 撐數(shù)量和靠近拱頂一字撐的數(shù)量這三種情況,計算結(jié)果見表3。由表2和表3可以看出:橫撐的數(shù)量和布置對面內(nèi)基頻影響不大。拱腳處橫撐對結(jié)構(gòu)的面外基頻影響比拱頂處的大

13、,因而拱腳處橫撐對結(jié)構(gòu)的橫向剛度影響比拱頂處的大。K撐形式對結(jié)構(gòu)的面外基頻比一字撐對結(jié)構(gòu)的面外基頻影響要大,從而K撐形式對結(jié)構(gòu)的橫向剛度影響比一字撐形式要大。K撐的斜腿加強了拱肋的空間整體性,具有保持拱肋平行性的能力,所以K撐能提高結(jié)構(gòu)的橫向剛度,而K撐斜腿在豎平面內(nèi)投影較小,因而對豎向剛度影響較小;拱腳處K撐對結(jié)構(gòu)的面外基頻比拱頂處K撐對結(jié)構(gòu)的面外基頻影響要大,從而拱腳處K撐對結(jié)構(gòu)的橫向剛度影響比拱頂處K撐要大。412拱肋的影響為了研究拱肋對自振特性的影響,分別考慮了改變鋼管拱厚度和鋼管拱半徑兩個方面,其中鋼管拱厚度由12mm變化到20mm,鋼管拱半徑由45cm變化到60cm。計算結(jié)果見表4

14、。表3橫撐變化對自振頻率的影響橫撐位置、橫撐剛度和K撐數(shù)量的影響面外基頻H z面內(nèi)基頻H z 原模型(4道K撐置于靠近拱腳處,3道一字形橫撐置于靠近拱頂處01777114701對K撐置于拱頂,另1對置于靠近拱頂,總共4個K撐,4個一字撐0151711470減少靠近拱頂處的1對K撐,總共2個K撐和3個一字撐0159611471減少靠近拱腳處的1對K撐,總共2個K撐和3個一字撐0148811471減少靠近拱頂?shù)?對一字撐,總共4個K撐和1個一字撐0176111470增加一字撐20%0177811469增加K字撐20%0178511469表4拱肋對自振特性的影響(72+160+72m連續(xù)梁鋼管混凝土

15、拱橋(60+128+60m連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋拱截面面外基頻H z面內(nèi)基頻H z拱截面面外基頻H z面內(nèi)基頻H z=12mm0144811427R=45cm0144611426原模型(=16mm0144611425原模型(R=50cm0144611425=18mm0144511424R=55cm0144611424=20mm0144411423R=60cm0144611422面外基頻H z面內(nèi)基頻H z拱截面面外基頻H z面內(nèi)基頻H z 0175911467R=45cm0172711463 0177711470原模型(R=50cm0177711470 0177211470R=55cm01816

16、11474 0177411471R=60cm0184911476從表4可以看出:增加鋼管拱厚度,(72+160 +72m連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋面外基頻減少,但減少幅度不大;(60+128+60m連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋面外基頻先增大后減少,但變化幅度不大;面內(nèi)基頻兩座橋基本不變。增加鋼管拱半徑R,(72+160 +72m連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋面外基頻保持不變,面內(nèi)基頻減少,(60+128+60m連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋面外基頻和面內(nèi)均增大,但變化幅度不大。不論是改變鋼管拱厚度還是改變鋼管拱半徑,目的都是為了改變鋼管拱的剛度,但鋼管拱剛度的變化對結(jié)構(gòu)的自振頻率的影響不大。因此,通過改變拱肋截面尺寸來改變自振頻率的效果不大。5結(jié)論通過對(60+128+60m和(72+160+72m連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的分析比較可得出如下結(jié)論:1連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋振動基頻較小,小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱、石板拱等剛性拱橋,因此其動力性能