大跨論文橋梁振型分析

1、橋梁振型分析1.項目的背景和必要性 對橋梁進(jìn)行非線性地震響應(yīng)分析，選擇合適的模型進(jìn)行有效的模擬和計算是非常重要的，地基土體的柔性變形將直接影響結(jié)構(gòu)的動力特性，側(cè)向荷載的分布模式體現(xiàn)了地震作用下結(jié)構(gòu)的慣性力沿高度的分布，選擇合適的模型一直是抗震分析相關(guān)研究所關(guān)注的問題。1.1 項目概況 不考慮地基柔性時，橋墩建模一般采用固結(jié)模型，即直接在橋墩底部施加固定約束，為了考慮地基柔性效應(yīng)影響，本文考慮了在墩底施加六彈簧模型。六彈簧模型將樁基礎(chǔ)及下部結(jié)構(gòu)的影響簡化為作用在橋墩底部中心的集中彈簧，進(jìn)而對上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震分析。本文主要以80+128+80m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋為例，進(jìn)行固結(jié)模型與六彈簧模型的振

2、型分析對比。1.2項目研究目的 在墩底采用六彈簧約束的模型，使用彈性支承來模擬，其剛度矩陣可以通過資料手算得到，進(jìn)而導(dǎo)入程序中，這種模型可以較準(zhǔn)確模擬橋墩的實際約束情況，對進(jìn)一步進(jìn)行抗震驗算做好鋪墊。2. 項目科研現(xiàn)狀2.1. 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 在三維分析中，集中彈簧具有六個方向的剛度，分別對應(yīng)墩底部中心發(fā)生單位位移（或轉(zhuǎn)角）時對應(yīng)的力（或彎矩），近似考慮樁土相互作用。六彈簧法對樁基礎(chǔ)的考慮相對簡單，計算量小，在工程上應(yīng)用比較廣泛。2.2 研究說明 考慮樁-土之間的相互作用有利于抗震分析，六彈簧的方法比用固結(jié)的方法求出k值要小，根據(jù)，自振周期T就會變大，所以在地震作用下六彈簧模型比固結(jié)模型能更好

3、地消耗能量。3.項目實施方案3.1 主要研究內(nèi)容與結(jié)果3.1.1模型建立 （1）使用Midas Civil 2011 建立80m+128m+80m連續(xù)梁橋模型，并采用變截面建立梁和墩單元?？紤]到兩側(cè)簡支部分對邊墩的影響，在邊墩墩頂應(yīng)附加簡支梁一半質(zhì)量的作用。在三跨連續(xù)梁(簡支梁長度為32m)墩頂設(shè)置450t的節(jié)點質(zhì)量。 （2）二期荷載取為184kN/m，并由程序?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為質(zhì)量。 （3）每個墩頂使用彈性連接設(shè)立兩組支座，各支座縱、橫、豎三方向的 剛度通過資料計算得到，能夠較準(zhǔn)確模擬實際支座。 （4）在墩底采用固結(jié)約束的模型，使用一般支承來模擬，并將六個方向的自由度全部約束，這種模型并不能準(zhǔn)確模擬

4、橋墩的實際約束情況，是為與六彈簧模型對比而建。 （5）在墩底采用六彈簧約束的模型，使用彈性支承來模擬，其剛度矩陣可以通過資料手算得到，進(jìn)而導(dǎo)入程序中，這種模型可以較準(zhǔn)確模擬橋墩的實際約束情況。模態(tài)分析方法采用程序默認(rèn)的Lanczos方法，并取振型數(shù)量為前60階。3.1.2兩種模型頻率對比固結(jié)模型六彈簧模型模態(tài)號頻率周期模態(tài)號頻率周期11.079 0.927 11.063 0.941 21.275 0.784 21.073 0.932 31.377 0.726 31.085 0.922 41.749 0.572 41.220 0.819 51.857 0.538 51.321 0.757 62.

5、085 0.480 61.379 0.725 72.260 0.442 71.937 0.516 82.308 0.433 81.968 0.508 92.593 0.386 92.083 0.480 103.001 0.333 102.305 0.434 3.1.3參振質(zhì)量對比 模態(tài)號固結(jié)模型6彈簧模型1Tx6.05Tx11.39Tz2.8Tz2.642Ty6.82Ty56.5Rx3.66Rx6.94Rz17.433Tx18.01Rz24.074Tx36.03Tx28.85Ry6.685Ty29.62Ty30.1Rz43.12Rz45.566Ty39.74Tx40.63Rx8.19Rz22.

6、717Tx16.26Rx1.738Tx11.37Tx6.04Ry9.829Tz36.65Tx2.88Ry21.4410Rx6.11Rx4.073.1.4振型圖對比固結(jié)振型圖（第一階）：六彈簧振型圖（第一階）： 通過對比可以看出，兩種模型第一階的振型圖相差不多，但他們的參振質(zhì)量有所不同，固結(jié)：X向平動占6.05%，Z向平動占2.8%，而六彈簧：X向平動占11.39%，Z向平動占2.64%。固結(jié)振型圖（第二階）：六彈簧振型圖（第二階）： 通過對比，兩種模型振型有些差異，觀察各自參振質(zhì)量可以說明這個問題，固結(jié)：Y向平動占6.82%，X向轉(zhuǎn)動占3.66%，而六彈簧：Y向平動占56.5%，X向轉(zhuǎn)動占6.

7、94%，且有Z向轉(zhuǎn)動占17.3%。 3.1.5結(jié)果總結(jié) 前六十階的周期及參振質(zhì)量在Excel中有詳細(xì)數(shù)據(jù)，不一一列出，在此只說明對比結(jié)果。固結(jié)模型：X向平動的參振質(zhì)量在32階最先達(dá)到90%，Z向平動最先達(dá)到90%在38階，繞X軸轉(zhuǎn)動的參振質(zhì)量直到60階仍未達(dá)到90%。第一階振型主要是X向的平動和Z向平動；第二階振型主要是Y向的平動；第三階振型X向平動；第四階振型主要是繞X向平動和繞Y軸的轉(zhuǎn)動；第五階具有少量的Y向平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動。此外從參振質(zhì)量上還可以看出，X向平動第一次占優(yōu)發(fā)生在第4階，為36.3%；且在第8階就達(dá)到了87%六彈簧模型：Z向轉(zhuǎn)動動的參振質(zhì)量在12階最先達(dá)到90%，Y向平動為

8、第14階，X向平動為16階，繞X軸的轉(zhuǎn)動第43階到90%，與固結(jié)始終未達(dá)到90%不同。第一階振型主要是X向的平動和Z向平動；第二階振型主要是Y向的平動；第三階振型繞Z轉(zhuǎn)動；第四階振型主要是X向平動；第五階具有少量的Y向平動和繞Z軸的轉(zhuǎn)動。此外從參振質(zhì)量上還可以看出，與固結(jié)的X向平動占第一優(yōu)勢不同，Y向平動占第一次先發(fā)優(yōu)勢，發(fā)生在第2階，為56.5%；且在第5階就達(dá)到了88%總結(jié)：通過對兩種模型參振質(zhì)量及振型圖的分析，考慮地基柔性對低階振型影響不大，但對高階振型影響較大，肯定會影響抗震分析時的結(jié)果，這也說明建立六彈簧模型的必要性。3.2 解決的關(guān)鍵技術(shù)問題（1） 支座的真實模擬：在橋?qū)?yīng)的支座位置，建立彈性連接，其剛度用支座承載力資料及允許轉(zhuǎn)角和位移求得，其中順橋向承載力取豎向承載力的30%，橫向承載力取豎向承載力的5%。計算出的剛度為：（2） 在建模過程中，最重要的是六彈簧模型剛度的計算及如何在Midas中的實現(xiàn)。關(guān)于六彈簧模型彈簧剛度的計算，由于公路橋規(guī)范和鐵路規(guī)范對考慮樁土的計算方法相同，且只給出平面彈簧的計算方法，故本文采用鐵道工程技術(shù)手冊橋涵地基與基礎(chǔ)中的“采用