基于Midas的鋼箱梁橋振動(dòng)模擬分析

1、基于Midas的鋼箱梁橋振動(dòng)模擬分析作者：吳凡溫巍楊化奎王文璽來(lái)源：中國(guó)房地產(chǎn)業(yè)中旬2021年第09期【摘要】本文以南通市五一路擬建的張謇文化人行天橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用Midas有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析，推導(dǎo)出撓度和振頻之間的線性關(guān)系。經(jīng)驗(yàn)證分析，大跨徑鋼箱梁橋可以滿足人群荷載，但在跨中位置產(chǎn)生了較大振幅，需設(shè)置阻尼器以降低振幅。研究結(jié)果對(duì)即將實(shí)施的張謇文化人行天橋具有十分重要的指導(dǎo)意義?！娟P(guān)鍵詞】有限元軟件；鋼箱梁；振動(dòng)；撓度中圖分類號(hào)：U445.4文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A【DOI】10.12334/j.issn.1002-8536.2021.26.064鋼結(jié)構(gòu)工程具有重量輕、安

2、裝方便、施工工期短、抗震性能強(qiáng)、環(huán)境無(wú)污染等優(yōu)勢(shì)，我國(guó)的鋼結(jié)構(gòu)工程市場(chǎng)前景非常廣闊1。人行天橋即人行立交橋，專供行人通過(guò)，可有效避免人車平面相交時(shí)的沖突，保障行人安全，提高車行速度，減少交通事故等優(yōu)點(diǎn)2。鋼箱梁人行天橋的設(shè)計(jì)和施工安全問(wèn)題，特別是振頻大小對(duì)撓度的影響，對(duì)于施工和運(yùn)營(yíng)期間的鋼箱梁人行天橋的結(jié)構(gòu)安全性與舒適性影響較大3。本文以南通市五一路擬建的張謇文化人行天橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用Midas有限元軟件對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析。經(jīng)驗(yàn)證分析，大跨徑鋼箱梁橋可以滿足人群荷載，但在跨中位置需設(shè)置阻尼器以降低振幅。研究結(jié)果對(duì)即將實(shí)施的張謇文化人行天橋具有十分重要的指導(dǎo)意義。II圖L張寒丈也人冇扎橋工

3、程蟲(chóng)廁圖Mm1、工程概況本工程位于江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院東側(cè)，橫跨五一路，連接荷蘭文化街區(qū)。橋面全寬4m,凈寬3.5m，橋梁上部結(jié)構(gòu)采用鋼箱梁，下部結(jié)構(gòu)采用柱式橋墩和鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。人行天橋的設(shè)置是為了解決本校學(xué)生的過(guò)街需求，提高周邊學(xué)校學(xué)生實(shí)現(xiàn)東西過(guò)街的安全性。為減少施工期間對(duì)交通的影響，本天橋采用鋼箱梁形式，橋梁全長(zhǎng)45.7m,跨徑布置為：1x42.2m鋼箱梁。見(jiàn)圖1、圖2。2、鋼箱梁人行天橋結(jié)構(gòu)分析本天橋工程主梁采用1x42.2m鋼箱梁，總長(zhǎng)45.7m,天橋主梁橋面全寬4.0m,凈寬3.5m；梯道全寬3.5m，凈寬3.2m。主梁墩頂設(shè)置板式橡膠支座，主橋墩柱采用鋼管混凝土墩，采用申100c

4、m鉆孔灌注樁基礎(chǔ)；梯道支墩均采用申60cm鋼管柱式墩，申100cm鉆孔灌注樁基礎(chǔ)。本工程永久荷載為結(jié)構(gòu)恒載，其中鋼容重取78.5kN/m3；主梁二期恒載考慮鋼筋砼鋪裝、環(huán)氧砂漿鋪裝以及其它荷載(橫隔板重等)，綜合取6.5kN/m；欄桿荷載取3kN/m；梯坡道重主梁豎向力均為83kN；橫隔板荷載取3.2kN/m。本工程可變荷載包括人群，按3.99kN/m2全寬滿布人群，線荷載取3.99x3.5=14.0kN/m加載；結(jié)構(gòu)總體溫度變化取整體升溫25度，整體降溫20度；梯度溫度按照公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范(JGJD60-2015)中4.3.10中規(guī)定取值，負(fù)溫度梯度按照正溫度梯度的50%計(jì)算。雨棚風(fēng)荷載

5、取基準(zhǔn)風(fēng)壓0.35kN/m2，按不同風(fēng)向加載；雨棚檢修荷載取0.5kN/m2，檢修荷載與雪荷載不同時(shí)考慮。本工程偶然荷載為地震力，抗震設(shè)防烈度7度，不控制上部結(jié)構(gòu)。3、MidasCivil軟件模擬本工程選用MIDAS/civil2020進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力計(jì)算。上部結(jié)構(gòu)按實(shí)際情況建模分析，計(jì)算內(nèi)力、撓度、支反力、應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)特征值分析。橋梁共分929個(gè)單元，539個(gè)節(jié)點(diǎn)。其中板單元300個(gè)，梁?jiǎn)卧?29個(gè)。主梁采用鋼箱截面，利用一般支撐及彈性連接模擬雙支座。幾何模型、三維模型見(jiàn)圖2。4、軟件驗(yàn)算結(jié)果分析經(jīng)軟件計(jì)算，本項(xiàng)目主梁的最大正應(yīng)力CT二1O9.fd=310MPa,主粱最大剪應(yīng)力【二2令.4M=

6、1&0MPar吋需三FE了=0*421.T形連援處折算應(yīng)力12襯=130.2MPaL/1600=2.64mm,故需要設(shè)置預(yù)拱度。根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，預(yù)拱度值取恒載標(biāo)準(zhǔn)值加1/2活載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的撓度值。在本工程中，結(jié)構(gòu)重力與1/2人群荷載作用下的撓度值為10.6cm，故預(yù)拱度值取10.6cm。5、天橋豎向自振頻率分析經(jīng)計(jì)算，本項(xiàng)目自振模態(tài)特征值表如下表1所示。故人行天橋第一階豎向自震頻率為3.041965Hz3Hz，滿足規(guī)范要求。由于本橋的橋跨較大（42.2m），經(jīng)計(jì)算自振頻率較小，行人過(guò)橋時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的不安全感，因此，考慮到限制天橋振動(dòng)幅度，并提高行人舒適度和安全感，應(yīng)在天橋內(nèi)部設(shè)置調(diào)

7、頻質(zhì)量阻尼器（TMD），減小天橋在人致振動(dòng)下的最大豎向加速度，使得天橋振動(dòng)得以轉(zhuǎn)化，達(dá)到減小結(jié)構(gòu)振動(dòng)的目的4。人群步行荷載激振下，調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）系統(tǒng)的加速度需滿足舒適度要求，豎向加速度應(yīng)小于0.5m/s2。必須保證TMD彈簧表面光滑、無(wú)氧化坑、毛刺和裂紋，彈簧總剛度應(yīng)具有一定的可調(diào)節(jié)性，調(diào)節(jié)幅度不小于25%5，彈簧的基本參數(shù)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)壽命內(nèi)無(wú)變化。保證TMD阻尼器使用壽命，阻尼器應(yīng)采用金屬密封型式。TMD阻尼器減振系統(tǒng)應(yīng)有可靠的措施，以抑制質(zhì)量塊的水平振動(dòng)6。S攔枸垃力與幾眸荷就計(jì)算最丸臺(tái)向撓展-JR-LUJLXJ6、撓度、振頻線性關(guān)系分析【口；一B豎向勻振頻率（Hz）周期213.J

8、419650.3287252W.35D&250.0&661130.0&6118表勺天折自振模寢特征值表運(yùn)用回歸方程顯著性檢驗(yàn)一方差分析F檢驗(yàn)法7，發(fā)現(xiàn)撓度和振頻具有明顯的回歸關(guān)系。撓度和振頻關(guān)系分析見(jiàn)表2表2撓岌、振頻數(shù)殖對(duì)應(yīng)表X振動(dòng)壩率（He）Y擠度（ETI）3.0638.24.12酋5.0714.56-2111J7.367.6亦9.284.89.834,310.233.811.553.5運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析軟件，經(jīng)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。S3撓度旨振頻回口統(tǒng)訂參數(shù)計(jì)算結(jié)果殘差平方和Q27.73總懈差平方和S沖1303.045、.7944a-3.754b40&$則一元線性回歸方程為y=-3.784x

9、+40.698（x為振頻，y為撓度）。再利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性方差分析。Q=267.9673，U=Syy-Q=1303.045-267.9673=1035.0777，F(xiàn)=30.90161225，a=0.005，F(xiàn)a（1,8）=5.32,FFa，表明回歸是顯著的。d、r35-y=-3.745斗hTG酉邯201O-5-04oJi眼動(dòng)幀豐們襯陽(yáng)6撓皮與握動(dòng)蠶半相矣性一覓陽(yáng)經(jīng)驗(yàn)算，本工程撓度和振動(dòng)頻率之間存在顯著的線性關(guān)系，且撓度和振動(dòng)頻率成反比關(guān)系，振動(dòng)頻率越大，撓度數(shù)值越小，振動(dòng)頻率越小，撓度數(shù)值越大。根據(jù)城市人行天橋及人行道技術(shù)規(guī)范，為了避免共振，減少行人的不安全感，人行天橋上部結(jié)

10、構(gòu)的垂直自振頻率不應(yīng)小于3赫茲。因此，在鋼箱梁設(shè)計(jì)計(jì)算中，所設(shè)計(jì)的鋼箱梁結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)較大的自振頻率（至少大于3赫茲），橋梁的撓度性能也比較好。此外，行人在鋼箱梁上行走時(shí)的振動(dòng)頻率為1.8到2.5赫茲8，而施工時(shí)的振動(dòng)頻率較?。ú怀^(guò)3赫茲），則與鋼箱梁結(jié)構(gòu)的自振頻率不一致，從而降低了共振的風(fēng)險(xiǎn)。本項(xiàng)目采用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）阻尼系統(tǒng)來(lái)降低人行天橋的共振響應(yīng)，在共振下阻尼率接近70%，從而提高了結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。結(jié)語(yǔ)：本文進(jìn)行了大跨徑鋼箱梁的力學(xué)性能分析，采用Midas/Civil軟件對(duì)橋梁上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行了驗(yàn)算，并運(yùn)用數(shù)理統(tǒng)計(jì)回歸分析軟件分析了本工程鋼箱梁撓度與振動(dòng)頻率的關(guān)系，主要結(jié)論如下

11、：撓度和振動(dòng)頻率之間存在顯著的線性關(guān)系，一元線性回歸方程為y=-3.784x+40.698（x為振頻，y為撓度）。且撓度和振動(dòng)頻率成反比關(guān)系，振動(dòng)頻率越大，撓度數(shù)值越小，振動(dòng)頻率越小，撓度數(shù)值越大。（2）鋼箱梁結(jié)構(gòu)可以設(shè)計(jì)較大的自振頻率（至少大于3赫茲），橋梁的撓度性能會(huì)比較好。（3）行人在鋼箱梁上行走時(shí)的振動(dòng)頻率為1.8到2.5赫茲，而施工時(shí)的振動(dòng)頻率較小（不超過(guò)3赫茲），這與鋼箱梁結(jié)構(gòu)的自振頻率不一致，從而降低了共振的風(fēng)險(xiǎn)。（4）在設(shè)計(jì)鋼箱梁工程時(shí)，可以采用調(diào)頻質(zhì)量阻尼器（TMD）阻尼系統(tǒng)來(lái)降低人行天橋的共振響應(yīng)，從而提高了結(jié)構(gòu)的安全性和舒適性。參考文獻(xiàn)：李社生鋼結(jié)構(gòu)工程施工M北京化學(xué)工業(yè)

12、出版社，2010.潘龍文，葉麗宏基于MIDAS軟件的大跨鋼箱梁吊裝力學(xué)性能分析J.浙江建筑.2020,37（05）：26-30.袁濤，楊曉，王乙靜等大跨度全鋼結(jié)構(gòu)人行天橋的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)和美學(xué)設(shè)計(jì)J.鋼結(jié)構(gòu).2019,34（01）：60-64.王寶順，何浩祥，閆維明質(zhì)量調(diào)諧-顆粒阻尼器復(fù)合減振體系的力學(xué)解析及優(yōu)化分析J.工程力學(xué).2021,（06）：191-208.5黃緒宏，閆維明，等滾動(dòng)碰撞式調(diào)制質(zhì)量阻尼器力學(xué)模型及參數(shù)分析J.振動(dòng)與沖擊.2021,40（08）：179-186.WangMiao,GuPing.DampingSuppressionofVibrationforHalf-throughSteelTrussBridgesUsingTMDJ.JournalofShijiazhuangRailwayInstitute.2006,（01）：14-17范金城工程數(shù)學(xué)概率論與數(shù)理統(tǒng)計(jì)M.沈陽(yáng)：遼寧大學(xué)出版社，1999.FadelMiguelLeticiaFleck，PivadosSantosGuilherme,ManzoniStefano.OptimizationofMultipleTunedMassDampersf