土_樁_結(jié)構(gòu)相互作用對大跨懸索橋動力特性的影響研究

1、文章編號100228412(2006022*土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用對大跨懸索橋動力特性的影響研究王浩,李愛群,韓曉林,李枝軍(東南大學(xué)混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)教育部重點實驗室,江蘇南京210096摘要本文以國內(nèi)第一大跨橋梁潤揚長江公路大橋南汊懸索橋為研究對象,基于大型有限元分析軟件ANSY S 建立了該橋的三維有限元模型,其中采用質(zhì)量2彈簧體系模擬了土2樁2結(jié)構(gòu)的相互作用。以此為基礎(chǔ)對潤揚懸索橋的自振特性進(jìn)行了分析,重點研究了土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用因素對大跨懸索橋動力特性的影響,與現(xiàn)場動力測試結(jié)果的良好吻合表明了有限元分析結(jié)果的可靠性。研究結(jié)果為大橋的損傷預(yù)警和狀態(tài)評估奠定了研究基礎(chǔ)。關(guān)鍵詞大跨懸

2、索橋;動力特性;土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用;動力測試;健康監(jiān)測中圖分類號U448125;T U31113文獻(xiàn)標(biāo)識碼AR esearch on E ffects of Soil 2pile 2structure I nteraction on Dynamic B ehavior of Long 2span Suspension B ridgeWang Hao ,Li Ai 2qun ,Han Xiao 2lin ,Li Zhi 2jun (Education Ministry K ey Laboratory o f Concrete and Prestressed Concrete Structure

3、 ,Southeast Univer sity ,Nanjing 210096,China Abstract :Runyang Suspension Bridge ,with a main span of 1490m ,is the longest bridge in China.In this paper ,a 32dimensional FE m odel for the bridge is established with finite element program ANSY S and the s oil 2pile 2structure interaction is simulat

4、ed by use of the mass 2spring m odel.Based on the FE m odel ,m odel analysis is carried out and the effects of s oil 2pile 2structure interaction on dynamic behavior of the long 2span suspension bridge are specially studied.Analysis results are proved to be reliable by the measurements of dynamic te

5、st.The results provide important research basis for damage alarming and health m onitoring of the bridge.K eyw ords :long 2span suspension bridge ;dynamic behavior ;s oil 2pile 2structure interaction ;dynamic test ;health m onitoring收稿日期2005210211;修訂日期2006203227基金項目國家自然科學(xué)基金重大國際合作項目(50410133國家自然科學(xué)基金重

6、點項目(50538020國家自然科學(xué)基金資助項目(50378017東南大學(xué)優(yōu)秀博士學(xué)位論文基金資助(Y B JJ05081引言隨著大跨度橋梁設(shè)計的輕柔化以及結(jié)構(gòu)形式與功能的日趨復(fù)雜化,大橋的安全運營成為關(guān)系到一個國家的交通、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、軍事乃至人民生命財產(chǎn)安全的重要問題。大型橋梁的健康監(jiān)測技術(shù)也因此成為橋梁工程學(xué)科研究和發(fā)展的一個重要領(lǐng)域13。大跨橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性如固有頻率、阻尼比、振型等,是評價結(jié)構(gòu)整體性能的重要依據(jù)之一,是進(jìn)行結(jié)構(gòu)損傷預(yù)警、狀態(tài)評估以及抗風(fēng)抗震研究的基礎(chǔ)45。大量研究表明,考慮土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用使得體系的動力特性與剛性基礎(chǔ)上有所不同,主要表現(xiàn)為自振頻率降低、阻尼增加、內(nèi)力

7、及位移反應(yīng)改變等67。因此,對采用樁基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力分析時,有必要將土2樁2上部結(jié)構(gòu)所組成的體系作為一個整體來研究。潤揚長江公路大橋由北汊斜拉橋和南汊懸索橋組合而成。其中南汊懸索橋為主跨1490m (中國第一,世界第三單跨雙鉸簡支鋼箱梁橋,中跨矢跨比為1:9196。兩邊垮長為470m ,邊垮無吊索。主梁采用扁平流線型鋼箱梁,梁高3m ,全寬3817m 。該橋南北錨碇均采用強(qiáng)大的重力式混凝土錨體,故可作固結(jié)處理。南北塔均采用群樁基礎(chǔ),單樁直徑為<218m ,嵌入巖層,每個塔柱下順橋向布設(shè)4排樁,每排4根,共16根,按嵌巖樁設(shè)計,要求嵌入微風(fēng)化巖第28卷第2期2006年4月工程抗震與加固改

8、造Earthquake Resistant Engineering and RetrofittingV ol.28,N o 12Apr.2006Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting April 2006大于3m 。因此需要研究土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用對大橋動力特性的影響。2空間有限元模型基于ANSY S 平臺建立了該橋的空間有限元計算模型,如圖1所示。其中,加勁梁、主塔、中央扣處理成梁單元;主纜和吊索等效為空間桿單元,主纜按吊桿的吊點進(jìn)行離散,其彈性模量用Ernst 等效彈模公式進(jìn)行計算。橋面鋪裝和欄桿質(zhì)量采用M ASS21單元進(jìn)行模擬

9、。根據(jù)設(shè)計圖紙,耦合了主梁與主塔在橫橋向、豎向以及繞順橋向的轉(zhuǎn)動自由度,主纜與塔頂自由度全部耦合,中央扣與主纜、加勁梁全部耦合,主纜底部固結(jié) 。圖1潤揚大橋懸索橋有限元計算模型采用J.Penzien 集中質(zhì)量模型模擬土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用,其中承臺和塔座的質(zhì)量用M ASS21單元分別模擬,將整個承臺區(qū)域設(shè)定為剛性區(qū)域。樁基礎(chǔ)用空間梁元模擬。土介質(zhì)用C OM BI N14單元模擬。模型的介紹及其中各項參數(shù)的確定方法詳見文獻(xiàn)7。3動力特性分析311有限元分析基于ANSY S 的非線性靜力分析和模態(tài)分析功能,對潤揚長江公路大橋懸索橋進(jìn)行了自振特性分析。因為在恒載作用下懸索橋結(jié)構(gòu)已具有較大的剛度(重力剛

10、度,分析過程中必須考慮結(jié)構(gòu)的幾何非線性。具體方法是將幾何非線性對結(jié)構(gòu)動力特性的影響作線性化考慮,即在非線性靜力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行應(yīng)力剛化,建立幾何剛度矩陣,并在此基礎(chǔ)上建立動力平衡方程進(jìn)行求解6。表1列出了大橋部分以主梁和主纜振動為主的動力特性。圖2列出了其中的一階側(cè)彎、豎彎和扭轉(zhuǎn)振型圖。表2列出了部分以主塔振動為主的動力特性。表中f m 、f 1、f 2分別表示實測頻率、考慮和不考慮土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用時的計算頻率。計算結(jié)果表明土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用的影響很小,故選f 2進(jìn)行分析,頻率誤差:error =(f 2-f m f m 。312實測結(jié)果為了把握大橋結(jié)構(gòu)的實際自振特性,為大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)

11、的建立提供依據(jù),于2005年1月46日對潤揚長江公路大橋南汊懸索橋的動力特性進(jìn)行了測試8。測試時將箱梁主跨46等分,共選取47個測量斷面,每一斷面上按橫橋、上游垂直、下游垂直三個方向各布置一個振動傳感器。采用振動模態(tài)分析專用軟件對全部信號進(jìn)行整體分析,得到相關(guān)振動模態(tài)參數(shù)。潤揚懸索橋部分動力特性實測結(jié)果見表1、表2、圖3和圖4。表1潤揚懸索橋以主梁和主纜振動為主的動力特性f m (H z f 1(H z f 2(H z Error (%振型特點實測阻尼比(%0.05860.05360.0537-8.36一階正對稱側(cè)彎 2.20.12210.11680.1173-3.93一階正對稱豎彎0.970

12、.14400.13990.1402-2.64一階反對稱豎彎 1.130.15870.14630.1466-7.62一階反對稱側(cè)彎 1.180.16850.16210.1621-3.80二階正對稱豎彎 1.650.18800.19220.1922 2.23二階反對稱豎彎 1.10.23980.21830.2238-6.67一階正對稱扭轉(zhuǎn) 1.590.30980.27930.2874-7.23一階反對稱扭轉(zhuǎn) 1.010.34180.33830.3383-1.02三階正對稱豎彎0.660.37110.34110.3442-7.25二階正對稱扭轉(zhuǎn)0.8第28卷第2期王浩,等:土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用對大跨

13、懸索橋動力特性的影響研究33Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting V ol.28,N o.22006表2潤揚懸索橋以主塔振動為主的動力特性 f m (H z f 1(H z f 2(H z Error (%振型特點實測阻尼比(%0.35170.36490.3649 3.75橫橋向彎曲 1.020.68380.66000.6602-3.45順橋向彎曲0.991.06630.95420.9563-11.50順橋向扭轉(zhuǎn)0.761.5241 1.6121 1.6121 5.77順橋向彎曲0.731.4185 1.6175 1.618212.

14、34橫橋向彎曲2.1574 2.1713 2.17160.66橫橋向彎曲 1.042.4236 2.2806 2.2908-5.48順橋向扭轉(zhuǎn)2.6319 2.6769 2.6937 2.35橫橋向彎曲2.7720 2.6924 2.7034-2.47順橋向彎曲圖2潤揚懸索橋部分振型圖圖3潤揚懸索橋橋面部分測點振動響應(yīng)頻譜圖圖4潤揚長江大橋懸索橋部分實測橋塔振型圖34工程抗震與加固改造2006年4月Earthquake Resistant Engineering and Retrofitting April 2006313分析與討論以上研究結(jié)果表明:(1結(jié)構(gòu)自振頻率理論計算值和實測值較吻合,以

15、主梁和主纜振動為主的頻率最大誤差為8136%,以主塔振動為主的頻率最大誤差為12134%,說明了有限元模型的可靠性。(2土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用對大橋動力特性的影響很小,所列頻率中最大相差219%,對應(yīng)主梁的一階反對稱扭轉(zhuǎn)振型,表明樁基礎(chǔ)足夠強(qiáng)大。(3大橋的第1階扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)較晚,在多階橫彎和豎彎振型之后,計算頻率為012238,同時理論分析結(jié)果表明扭轉(zhuǎn)振動和橫彎振動有耦合現(xiàn)象。(4大橋第1階以主塔振動為主的振型出現(xiàn)較晚,其測試頻率為013517,計算頻率為013649,故在采用反應(yīng)譜進(jìn)行抗震分析時要引起注意。4結(jié)語本文對潤揚長江大橋南汊懸索橋進(jìn)行了自振特性分析,重點研究了土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用對大

16、橋動力特性的影響,結(jié)合現(xiàn)場實測獲得了大橋動力特性的相關(guān)重要信息,為大橋的損傷預(yù)警和狀態(tài)評估打下了良好的研究基礎(chǔ)。研究結(jié)果表明:土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用對大橋動力特性的影響很小,分析中可不予考慮。作為潤揚長江大橋懸索橋的初始理論模型,該模型將結(jié)合大橋?qū)崟r監(jiān)測得到的振動信息(如固有頻率、阻尼比、振型等進(jìn)行修正和完善,為大橋整體性能的評價提供科學(xué)依據(jù)。參考文獻(xiàn):1Bergmeister K,Santa U.G lobal m onitorin2g concepts forbridgesA.In:N ondestru2ctive Evaluation of Highways,Utilities,and P

17、ipe2lines I V,Proceedings of SPIEC.New port Beach,US A,2000.1425.2李愛群,繆長青,李兆霞,等.潤揚長江大橋結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測系統(tǒng)研究J.東南大學(xué)學(xué)報,2003,33(5:544548.3李兆霞,李愛群,陳鴻天,等.大跨橋梁結(jié)構(gòu)以健康監(jiān)測和狀態(tài)評估為目標(biāo)的有限元模擬J.東南大學(xué)學(xué)報,2003,33(5:562572.4王浩,喬建東.橋梁結(jié)構(gòu)動力特性的有限元分析與試驗研究J.公路交通科技,2004,21(6:7880. 5何旭輝,陳政清,黃方林.南京長江大橋動力特性研究J.橋梁建設(shè),2003,(4:2325.6范立礎(chǔ).橋梁抗震M.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,1997.7王浩,楊玉冬,李愛群,等.土2樁2結(jié)構(gòu)相互作用對大跨度CFST拱橋地震反應(yīng)的影響J.東南大學(xué)學(xué)報,2005,35(3:433437.8江蘇省長江公路大橋建設(shè)指揮部,等.潤揚大橋靜動載試驗報