高墩薄壁連續(xù)梁橋動態(tài)自振特性分析

摘要:文章以省道S318線西張村大橋為工程實例,根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特點,采用有限元程序Midas/Civil對該橋進(jìn)行模擬計算,建立了該橋梁的空間有限元計算模型,對西張村大橋進(jìn)行了動態(tài)特性、地震時程響應(yīng)以及施工階段穩(wěn)定性計算,為了確保橋梁在建造過程中的安全和成橋后的抗震性能,對這類高墩薄壁連續(xù)梁橋的穩(wěn)定性和抗震性能進(jìn)行研究具有重要的工程意義和實用價值。

關(guān)鍵詞:高墩薄壁連續(xù)梁橋;動態(tài)特性;抗震性能;穩(wěn)定性

中圖分類號:U446文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)21-0133-02

省道S318線石原至三門峽西站段改建工程是連接石原與三門峽的省道區(qū)域聯(lián)絡(luò)線,對改善河南省西部地區(qū)的交通狀態(tài),完善河南省交通網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展具有十分重要的作用。西張村大橋位于省道S318線石原至三門峽西站段改建工程東段,其中最高墩高度為83m是全線公路工程施工難度最大的重點工程,并且橋址處于地震多發(fā)地帶,由于該橋橋墩較高,建設(shè)技術(shù)含量高,施工建造技術(shù)復(fù)雜,為了保證橋梁在施工中和成橋運營階段的安全性,對西張村大橋進(jìn)行穩(wěn)定性和抗震性能研究非常重要。

一、西張村大橋動態(tài)性能分析

(一)橋梁概況

省道S318線石原至三門峽西站段改建工程,是連接石原與三門峽的省道區(qū)域聯(lián)絡(luò)線,對改善河南省西部地區(qū)的交通狀態(tài),完善河南省交通網(wǎng)絡(luò),促進(jìn)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟發(fā)展具有十分重要的作用。西張村大橋位于省道S318線石原至三門峽西站段改建工程東段,大橋采用50m簡支連續(xù)T梁和25m簡支連續(xù)箱梁,其跨徑組合為(3×5+4×5)m連續(xù)T梁和(4×25)m連續(xù)箱梁,全橋長457m。橋梁終點部分位于R=300m,Ls=40m,A=109.545,傾角α=40°30,45"(Z)的平曲線上。由于橋區(qū)地貌單元為中低山河谷地,水文地質(zhì)單元為中低山河谷型孔隙、孔隙潛水區(qū),該橋跨越的南北地溝溝深坡陡,其中1~6號橋墩采用矩形空心薄壁墩,凈高分別為57m、68.5m、76m、83m、63m以及43m,其中4墩凈高83m,為河南省公路建設(shè)歷史上的第1高墩。

設(shè)計荷載:公路—Ⅰ級;

橋梁寬度:全寬12.0m=1.0(人行道)+凈寬10.0m(行車道)+1.0(人行道)m;

跨徑組成:(3×50+4×50)m的連續(xù)T梁+(4×25)m連續(xù)箱梁;

環(huán)境類別:Ⅰ類;

結(jié)構(gòu)重要性系數(shù):1.1;

設(shè)計風(fēng)速及風(fēng)壓:36.5 m/s,風(fēng)壓0.51kN/m2;

(二)西張村大橋主橋有限元建模

西張村大橋主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)T梁,橫截面由5個小T梁組成,各個T梁之間采用現(xiàn)澆濕接縫連接,橫梁采用矩形截面,截面的厚度為20cm。本文采用有限元程序Midas/Civil建模,T梁和橫梁均采用梁單元來模擬,梁單元的每個節(jié)點有6個自由度,包括3個平動自由度和3個轉(zhuǎn)動自由度,該單元形式具有拉、壓、扭轉(zhuǎn)以及彎曲能力;T梁之間的濕接縫用板單元來模擬,板單元的每個節(jié)點有3個平動自由度和2個轉(zhuǎn)動自由度,該單元形式具有彎曲及薄膜特性;由于橋墩是變截面的,所以采用變截面梁單元進(jìn)行模擬。全橋計算模型共計劃分3518個節(jié)點,3061個單元,橋梁有限元計算模型分別如圖1-1所示。

空間計算模型各個單元截面形式及尺寸均按照橋梁設(shè)計圖紙確定,計算模型中單元材料特性值按照橋梁有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選取。

橋梁計算模型的空間坐標(biāo)系方向規(guī)定如下:縱橋向為x軸(x軸向右為正方向),橫橋向為y軸(y軸向里為正方向),豎向為z軸(z軸向上為正方向)。邊界條件設(shè)置為,在橋梁的T梁搭設(shè)階段,在每跨形成簡支梁橋結(jié)構(gòu),每片T梁和橋墩的連接先采用剛性連接,然后在每片T梁的一端釋放繞y軸的轉(zhuǎn)動roty、繞z軸的轉(zhuǎn)動rotz,同時在另一端釋放沿縱向的位移ux、沿橫向的位移uy、繞y軸的轉(zhuǎn)動roty、繞z軸的轉(zhuǎn)動rotz。隨著橋梁進(jìn)行先簡支后連續(xù)施工,在橋梁體系轉(zhuǎn)換后,橋梁上部結(jié)構(gòu)與橋墩的連接發(fā)生了相應(yīng)的變化,橋墩與上部結(jié)構(gòu)的連接均先采用剛性連接,由于3號墩為制動墩,3號墩與上部結(jié)構(gòu)的連接僅釋放繞y軸的轉(zhuǎn)動roty,其余橋墩釋放沿縱向的位移ux、沿橫向的位移uy、繞y軸的轉(zhuǎn)動roty以及繞z軸的轉(zhuǎn)動rotz。每個橋墩底部為固結(jié),在承臺處約束6個方向的自由度。

(三)西張村大橋動態(tài)特性分析

采用有限元程序MIDAS/Civil對西張村大橋的自振特性進(jìn)行計算,運用子空間迭代法求解橋梁的空間自振特性,迭代次數(shù)設(shè)定為30次,收斂誤差設(shè)為1e-10,該方法適用于大型對稱結(jié)構(gòu)的特征值求解,所得結(jié)果較精確。結(jié)構(gòu)動力分析中對應(yīng)于振型的有效質(zhì)量總和(即振型參與質(zhì)量)要占總質(zhì)量的90%以上,故為了保證計算精度,滿足振型在各個方向的參與質(zhì)量之和達(dá)到要求,對該橋梁共計算了50階振動頻率和振型,詳細(xì)計算結(jié)果見表1:

二、結(jié)論

文章分析西張村大橋的動態(tài)特性可以得出以下結(jié)論:1.西張村大橋的低階振型以橋面系與橋墩的橫向、豎向振動為主,橫向振動先于豎向振動出現(xiàn),橋墩的縱向振型僅在第14階出現(xiàn),橋面系扭轉(zhuǎn)振型僅在第15階出現(xiàn),說明該橋的整體橫向剛度最小,整體豎向剛度次之,墩的縱向剛度和橋面系的整體抗扭剛度均較大,橋梁最易發(fā)生橫向振動形式;2.橋面系的扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)在第15階,說明橋面系的扭轉(zhuǎn)剛度比較大,主要原因是5根T梁與橫隔板及現(xiàn)澆濕接縫形成了整體橋面梁格體系,為橋面結(jié)構(gòu)提供了較大的扭轉(zhuǎn)剛度。

參考文獻(xiàn)

[1]周錫元,閻維明,楊潤林.建筑結(jié)構(gòu)的隔震、減振和振動控制[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2002,(2).

[2]朱巍.場地條件對減震橋梁動力特性的影響分析[D].長安大學(xué),2004.

作者簡介:馬永見(1964- ),男,河南滎陽人,研究方向:公路橋梁教學(xué)。