大跨度橋梁地震反應(yīng)分析時(shí)阻尼的取值_第1頁
大跨度橋梁地震反應(yīng)分析時(shí)阻尼的取值_第2頁
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精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)專心---專注---專業(yè)精選優(yōu)質(zhì)文檔-----傾情為你奉上專心---專注---專業(yè)大跨度橋梁地震反應(yīng)分析時(shí)阻尼的取值DampingValueforSeismicResponseAnalysisofLong-spanBridges賀佰凍HEBaidong(中鐵十二局三公司,山西太原)摘要:簡單介紹了目前橋梁抗震中存在的關(guān)于阻尼的一些問題以及瑞利阻尼理論。在利用有限元軟件ANSYS對大跨度橋梁進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí),結(jié)構(gòu)阻尼在其中的實(shí)現(xiàn)。文章以龍?zhí)逗哟髽驗(yàn)槔?,建立了有限元模型,?jì)算分析其動(dòng)力特性獲得橋梁結(jié)構(gòu)的振型和頻率,在此基礎(chǔ)上求解出了Aplha和Beta。關(guān)鍵詞:大跨橋梁;地震反應(yīng)分析;阻尼;瑞利阻尼0前言橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析是一個(gè)抗震動(dòng)力學(xué)問題。阻尼是結(jié)構(gòu)的一個(gè)重要?jiǎng)恿μ匦?,也是結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)中最為重要的參數(shù)之一。阻尼消耗能量,使振動(dòng)衰減,對橋梁的安全是有利的。阻尼的大小直接關(guān)系到橋梁在動(dòng)荷載作用下振動(dòng)的強(qiáng)弱,因此研究橋梁的阻尼規(guī)律是提高橋梁動(dòng)力計(jì)算精確度的關(guān)鍵之一。我國現(xiàn)行的《公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTJ004-89)[1]中關(guān)于橋梁的一章適用于跨徑不超過150m的鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土梁橋、圬工或鋼筋混凝土拱橋的抗震設(shè)計(jì),結(jié)構(gòu)的阻尼比取5%。根據(jù)美國、俄羅斯及我國的一些地震記錄的統(tǒng)計(jì)結(jié)果,反應(yīng)譜值大致與阻尼比的平方根成反比,公路鋼橋的阻尼比小于5%,斜拉橋、懸索橋結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜,而且是非均值結(jié)構(gòu),各部分的能量耗散機(jī)理不同,阻尼比的確定更加困難,各國規(guī)范也沒有給出參考值[2]。因此,對橋梁進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí),如何更精確地計(jì)入阻尼的影響是值得深入探討研究的課題。本文將以龍?zhí)逗哟髽驗(yàn)楣こ瘫尘熬唧w研究地震反應(yīng)分析中阻尼的取值。1瑞利阻尼理論近百余年來,人們提出了多種阻尼理論來解釋結(jié)構(gòu)的阻尼現(xiàn)象,目前被廣泛接受的是兩種線性阻尼理論,復(fù)阻尼理論和粘滯阻尼理論。在橋梁抗震分析中,一般都采用粘滯阻尼理論。在一般橋梁結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析中,可以假定阻尼矩陣具有正交性,阻尼可用阻尼比的形式計(jì)入;對于明顯非均質(zhì)結(jié)構(gòu),阻尼矩陣的正交性假定不再適用,需要建立非比例阻尼矩陣。采用粘滯阻尼理論,為使阻尼矩陣C滿足正交性,假設(shè):或(1)式中,、為比例常數(shù)。則有:或(2)瑞利阻尼矩陣假定阻尼矩陣為剛度矩陣和質(zhì)量矩陣的線性組合。為了考慮由結(jié)構(gòu)非均質(zhì)性和各部分耗能機(jī)理不同而引起的阻尼非均質(zhì)性,Clough提出了非比例阻尼理論,該理論認(rèn)為總阻尼矩陣可由分塊的瑞利阻尼矩陣疊加而成。采用瑞利阻尼假設(shè):(3)則有:(4)當(dāng)、、、已知時(shí),代入式(4)可得:(5)由式(2)看出,當(dāng)阻尼矩陣正比于質(zhì)量矩陣時(shí),阻尼比與頻率成反比;當(dāng)阻尼矩陣正比于剛度矩陣時(shí),阻尼比與頻率成正比。一般情況下,可以認(rèn)為控制頻率的阻尼比相等,即,代入式(5),有:(6)2工程背景及計(jì)算模型的建立本文的工程背景選了湖北滬蓉高速公路上的一座特大型橋梁龍?zhí)逗哟髽?,其主橋結(jié)構(gòu)形式為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)體系,跨徑組合為106m+3×200m+106m。橋面總寬度25m(雙幅),單幅箱梁頂面全寬12.5m、底面全寬6.5m,主墩最高達(dá)178m。圖1所示分別為左幅橋的總體布置立面圖、主梁橫截面圖。大橋左、右兩幅都有4個(gè)主墩,8個(gè)主墩高度不同,中間較高的4個(gè)各有兩道橫系梁。最高的右6#和左7#為178m高,中間設(shè)有兩道橫系梁;左9#墩高130m,中間沒有橫系梁。主箱梁混凝土強(qiáng)度等級為C55,彈性模量,容重27.3;橋墩采用C50混凝土,彈性模量,容重26。圖1橋梁總體布置立面圖(左線,單位:m)本文采用有限元程序ANSYS,建立橋梁左幅橋的計(jì)算模型,全橋采用BEAM3單元,根據(jù)截面特性劃分為275個(gè)單元,主梁的線形由每個(gè)截面的形心軸位置確定,單元的截面幾何特性由每個(gè)單元的左右截面幾何特性平均求得。3動(dòng)力特性分析在上述剛構(gòu)橋的計(jì)算模型基礎(chǔ)上,使用子空間迭代法計(jì)算了該橋成橋狀態(tài)的動(dòng)力特性,前10階的頻率、周期和振型特性列于表1。表1橋梁自振頻率與振型特性階數(shù)頻率/Hz周期/s振型特征10.28793.4732全橋縱向側(cè)移20.82161.2172主梁對稱豎彎,橋墩對稱側(cè)彎30.88971.1240主梁反對稱豎彎,橋墩反對稱側(cè)彎41.05440.9484主梁二階對稱豎彎51.14800.8711九號墩縱向側(cè)彎61.20040.8331九號墩對稱縱向側(cè)彎71.24340.8042主梁反對稱豎彎,九號墩縱向側(cè)彎81.40540.7116主梁對稱豎彎91.86700.5356橋墩對稱縱向側(cè)彎101.99410.5015橋墩反對稱縱向側(cè)彎第1階振型為全橋縱向側(cè)移,表明高墩的縱向水平抗推剛度較小,高墩連續(xù)剛構(gòu)橋梁屬于較柔性的結(jié)構(gòu)。第1階振型在前10階振型中的貢獻(xiàn)率約為80.4%,其次是第3振型,貢獻(xiàn)率約為7.3%。4阻尼在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)地震反應(yīng)分析中要考慮阻尼的影響,必須要確定橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比。由于目前國內(nèi)橋梁的實(shí)測阻尼資料很少,而現(xiàn)有阻尼比實(shí)測值的分散性有很大,因此阻尼比的估計(jì)就成了橋梁地震反應(yīng)分析中的難點(diǎn)。ANSYS提供了強(qiáng)大而又豐富的阻尼輸入,但也容易使初學(xué)者發(fā)生迷惑。在ANSYS中可以指定5種形式的阻尼[3]:①Aplha和Beta阻尼(瑞利阻尼);②和材料有關(guān)的阻尼;③恒定的阻尼比;④振型阻尼;⑤單元阻尼。本文中求解龍?zhí)逗哟髽虻卣鸱磻?yīng)過程中,采用的是第一種形式,即Aplha和Beta阻尼。對于式(6)中,一般取基頻頻率,則取后幾階中對結(jié)構(gòu)振動(dòng)貢獻(xiàn)較大的模態(tài)的頻率,即:(7)將、代入式(6)可得:、(8)橋梁結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法有靜力法、動(dòng)力反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。目前比較常用的是反應(yīng)譜法和動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法。當(dāng)用ANSYS進(jìn)行譜分析時(shí),考慮阻尼的命令流可以采用:/SOLUANTYPE,SPECTR!譜分析求解SPOPT,SPRS,10,yesSVTYP,2,1!定義譜曲線為加速度譜曲線DMPRAT,0.05!結(jié)構(gòu)阻尼取0.05……當(dāng)利用ANSYS進(jìn)行時(shí)程反應(yīng)分析時(shí),考慮阻尼的命令流可用:/SOLUANTYPE,TRANSKBC,0!每個(gè)加載步的加載形式為RAMPALPHAN,0.!瑞利阻尼BETAD,0.01352TRNOPT,FULLTIMINT,ONNLGEOM,OFF……5結(jié)論隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展,橋梁結(jié)構(gòu)越來越柔,阻尼極低,對風(fēng)、地震及行車等引起的振動(dòng)極其敏感,結(jié)構(gòu)振動(dòng)控制日漸受到重視。本文采用有限元軟件ANSYS,以龍?zhí)逗哟髽驗(yàn)槔?,介紹了對其進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)阻尼的實(shí)現(xiàn)過程。指定阻尼時(shí)采用瑞利阻尼,確定Aplha和Beta需要知道橋梁結(jié)構(gòu)的振型和頻率,因此文章首先對其進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。為了改善橋梁的抗震性能,現(xiàn)在較常用的隔震和消能減震體系,就是利用了改變阻尼特性這一點(diǎn)。參考文獻(xiàn)[1]JTJ004-89,公路工程抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].[2]范立礎(chǔ),胡世德,葉愛君.大跨度橋梁抗震設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,2001:24-26.[3]李斌,陶皎蛟,趙雷.橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼理論極其在ANSYS中的實(shí)現(xiàn)[J].四川建筑,2007,27(4):117-118.[4]余玲玲,王解軍.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的動(dòng)力性能及地震反應(yīng)分析[J].公路工程,2008,33(1):36-38.[5]黃偉,賀國京,吳再新.大跨度連續(xù)剛構(gòu)拱橋的

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