管-橋耦合下管線懸索橋的動力特性和地震反應(yīng)*

楊永清，馮睿為，黃　坤，陳錦晶，李曉斌

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

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管-橋耦合下管線懸索橋的動力特性和地震反應(yīng)*

楊永清1，馮睿為1，黃坤1，陳錦晶2，李曉斌1

(1.西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，成都 610031；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 土木與交通學(xué)院，遼寧 阜新 123000)

為了研究管線懸索橋大直徑管線和橋梁的耦合作用對結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)的影響，以瀾滄江管線懸索橋為研究對象，利用有限元軟件建立實橋模型，分析了管線懸索橋在管-橋耦合作用下的動力特性，并研究了管-橋耦合對橋梁地震反應(yīng)的影響.結(jié)果表明，與未耦合時相比，管-橋耦合作用下橋梁結(jié)構(gòu)的自振周期較長，自振模態(tài)被激勵的先后順序發(fā)生變化；在地震波激勵下，管-橋耦合作用對管線懸索橋不同構(gòu)件的受力和變形具有不同的影響，其中索塔順橋向剪力和主梁橫向位移均減小，主梁上弦桿軸力和豎向撓度均增大.在計算過程中考慮管-橋耦合作用的影響能夠比較真實地反映結(jié)構(gòu)實際的動力特性.

油氣管道；懸索橋；地震響應(yīng)；動力特性；行波效應(yīng)；一致激勵；耦合；振型

隨著我國油、氣管道建設(shè)的發(fā)展，大型油氣跨越工程越來越多，管線懸索橋以其跨越能力大、造價低和造型優(yōu)美等優(yōu)點受到廣泛關(guān)注.但是管線懸索橋?qū)儆谌嵝泽w系，自重和自身剛度較傳統(tǒng)懸索橋更低[1]，而在多管線大直徑油氣管道的共同作用下，管線懸索橋自身剛度和自重發(fā)生較大的變化，其動力特性也隨之變化，對橋梁結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)也將產(chǎn)生很大的影響.目前，油氣管線橋向高壓、大管徑和大跨度方向發(fā)展，但對于此種特殊橋梁結(jié)構(gòu)動力特性和地震反應(yīng)行為的研究十分缺乏，故對管-橋耦合下管線懸索橋動力特性和地震反應(yīng)的研究具有重要的理論和實際意義.

以中緬油氣管線工程瀾滄江懸索橋為研究對象，利用有限元程序建立全橋有限元模型，分析其動力特性和行波效應(yīng)下的地震反應(yīng)，以期為此類特殊橋梁的動力特性研究和抗震設(shè)計提供借鑒和參考.

1　工程概況

瀾滄江管線懸索橋獨跨280 m，主纜計算跨度為(25+280+25) m，矢跨比為1/10，主桁采用帶豎桿的華倫式桁架，桁高3.0 m，節(jié)間長2.5 m，吊索標(biāo)準(zhǔn)間距為5.0 m，縱向兩片主桁間距與主纜間距相同為10.0 m.主塔結(jié)構(gòu)設(shè)計為門式結(jié)構(gòu)，由鋼塔柱及上、中、下橫梁組成，從承臺頂面起塔高為34.5 m.塔柱間橫向中心距為在塔頂處10 m，承臺頂處13.8 m，管線懸索橋結(jié)構(gòu)總體布置如圖1所示(單位：m).

圖1　管線懸索橋結(jié)構(gòu)總體布置

2　有限元模型

采用有限元程序Midas/civil建立管線懸索橋空間有限元模型，如圖2所示.加勁梁和橋塔均采用空間梁單元進(jìn)行模擬，主纜和吊索采用只受拉桁架單元模擬.考慮管-橋耦合時管線采用梁單元模擬，管道和介質(zhì)自重通過管道容重的調(diào)整施加于加勁梁上，管線與橋梁之間采用彈性連接，管端采用固結(jié)，考慮到管端并未澆筑混凝土固結(jié)，釋放梁端約束Dx、Dy、Dz為原來的70%.不考慮管-橋耦合時，管道和介質(zhì)自重轉(zhuǎn)化為均布荷載施加于加勁梁上，并通過荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量，考慮其對結(jié)構(gòu)質(zhì)量的影響和主纜的“垂度”效應(yīng)，主纜的彈性模量用Ernst公式進(jìn)行修正.懸索橋?qū)崪y阻尼比一般在0.5%～1.0%之間，本橋阻尼比取為1.0%[5].

圖2　管線懸索橋空間有限元模型

3　動力特性

結(jié)構(gòu)自身質(zhì)量和剛度關(guān)系用動力學(xué)公式可表示為

(1)

式中：K為結(jié)構(gòu)剛度矩陣；M為結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣；ω為結(jié)構(gòu)自振頻率.

在管-橋耦合后，管線橋結(jié)構(gòu)的剛度矩陣K和質(zhì)量矩陣M均發(fā)生變化，由式(1)很難定性地確定考慮管-橋耦合后橋梁結(jié)構(gòu)自振周期的變化趨勢，因此，必須分別考慮管-橋耦合與未耦合兩種情況對橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行計算.

通過有限元模型分別計算瀾滄江管線懸索橋原橋和管-橋耦合后橋梁的前100階模態(tài).限于篇幅，表1只列舉出前10階模態(tài)的自振周期和振型特征.在考慮耦合作用后，由計算結(jié)果可知：

1) 橋梁結(jié)構(gòu)自振周期增大，第1階振型增幅最大，約為52.4%；

2) 加勁梁的切線剛度進(jìn)一步降低致使主梁在前7階模態(tài)中以豎向振動為主的振型較早較多地出現(xiàn)；

3) 橋梁結(jié)構(gòu)加勁梁的抗扭剛度進(jìn)一步降低致使主梁在反對稱扭轉(zhuǎn)振動提前3階出現(xiàn)；

4) 橋梁結(jié)構(gòu)纜索的“重力剛度”增大使以主纜振動為主的模態(tài)出現(xiàn)較晚；

5) 由于管線及介質(zhì)的偏載作用，橋梁結(jié)構(gòu)主梁在靠近原油管道(荷載集度較大)處豎向振幅較大，由此說明在管-橋耦合作用下，管道的橫向偏載作用對橋梁的動力特征產(chǎn)生較大的影響.

表1　結(jié)構(gòu)前10階振型特征

4　地震反應(yīng)

根據(jù)《油氣輸送管道線路工程抗震技術(shù)規(guī)范》(GB50470-2008)規(guī)定，大型跨越應(yīng)按50年超越概率2%的地震動參數(shù)進(jìn)行抗震設(shè)計.根據(jù)地震部門給出的地震動參數(shù)，橋址50年超越概率為2%，地震峰值加速度為0.28 g(烈度為8度).考慮到特大橋地震設(shè)防的烈度可提高1度，因此，取基本烈度為9度，水平基本地震加速度峰值為0.40 g，場地特征周期為0.40 s.計算時采用一條滿足設(shè)計要求的地震波，相對加速度時程曲線如圖3所示.地震輸入分別為橫橋向和順橋向，考慮到是豎向地震波，對于大跨度懸索橋我國通常做法是豎直地震系數(shù)取為水平地震系數(shù)的1/2(或2/3)[8-12]，其工況表達(dá)式為

工況1(順橋向)：

Ex+0.5Ez

(2)

工況2(橫橋向)：

Ey+0.5Ez

(3)

式中，Ex、Ey、Ez分別為作用于順橋向、橫橋向、豎直向的地震激振.

圖3　地震波相對加速度時程

在不同工況地震波作用下，塔身最大剪力、塔頂最大位移、主梁最大撓度及主梁跨中上弦桿軸力計算結(jié)果如圖4～8和表2所示，由計算結(jié)果可知：

1) 與原橋相比，考慮管-橋耦合后由于受管道和輸送介質(zhì)重力的影響，在地震力作用下主梁受力及變形與未耦合時相比變化顯著，如圖4～6所示.其中，考慮行波效應(yīng)后，當(dāng)波速為500 m/s時，管-橋耦合下主梁跨中上弦桿軸力增大為未耦合時的2.71倍，當(dāng)波速為2 500 m/s時，主梁最大撓度增大為未耦合時的1.79倍.

圖4　工況1主梁上弦桿最大軸力

圖5　工況2主梁跨中弦桿軸力時程

2) 管-橋耦合后與未耦合時相比，主梁最大撓度在工況1下增大，工況2下減小，如圖6和表2所示.

3) 與未耦合時相比，考慮管-橋耦合后工況1下索塔順橋向最大剪力減小，塔頂順橋向最大位移在工況1下增大，工況2下減小，如圖7、8和表2所示.

4) 在工況2下，與原橋相比，考慮管-橋耦合后索塔橫橋向最大剪力和彎矩變化幅度不超過0.5%，即管-橋耦合作用對索塔橫橋向的最大剪力及彎矩影響很小，主梁橫向最大位移由于管-梁橫向抗彎剛度的增大而減小，較管-橋未耦合時減小了14.3%，如表2所示.

圖6　工況1不同波速下主梁最大撓度

圖7　工況1下索塔順橋向最大剪力

圖8　工況1下塔頂順橋向最大位移

耦合情況索塔橫橋向最大剪力kN索塔橫橋向最大彎矩(kN·m)塔頂順橋向最大位移cm塔頂橫橋向最大位移cm主梁最大撓度mm主梁橫向最大位移mm未耦合709.606092.007.8618.23237.20319.80耦合707.706130.003.0218.17105.50274.00

5　結(jié)　論

以中緬油氣管線工程瀾滄江懸索橋為研究對象，通過有限元軟件Midas/civil建立模型，分析管-橋耦合作用下管線懸索橋的動力特性，并以跨中弦桿軸力、主梁撓度、索塔塔頂位移和內(nèi)力等作為目標(biāo)，研究管線懸索橋在管-橋耦合作用下的地震反應(yīng)，得出以下結(jié)論：

1) 管線懸索橋結(jié)構(gòu)在管-橋耦合作用下，與未耦合時相比自振周期較長，自振模態(tài)被激發(fā)的先后順序發(fā)生變化；

2) 地震激勵下管-橋耦合作用對管線懸索橋不同構(gòu)件的受力和變形具有不同的影響，耦合作用下索塔順橋向剪力和主梁橫向位移均減小，在工況1下主梁上弦桿軸力豎向撓度以及塔頂順橋向位移均增大，在計算過程中考慮管-橋耦合作用的影響能夠比較真實地反映結(jié)構(gòu)實際受力特性；

3) 管-橋耦合作用下橋梁結(jié)構(gòu)在行波效應(yīng)下的受力和變形較未耦合時變化顯著.

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(責(zé)任編輯：鐘媛英文審校：尹淑英)

Dynamic characteristics and seismic response of pipeline suspension bridge under pipe-bridge coupling effect

YANG Yong-qing1,FENG Rui-wei1,HUANG Kun1,CHEN Jin-jing2,LI Xiao-bin1

(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Institute of Civil Engineering and Transportation,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

In order to study the influence of coupling effect between large-diameter pipeline and bridge of pipeline suspension bridge on the dynamic characteristics and seismic response of the structure,the Lantsang river pipeline suspension bridge was regarded as the research object,and the real bridge model was established with finite element software.The dynamic characteristics of pipeline suspension bridge under the pipe-bridge coupling effect were analyzed,and the influence of pipe-bridge coupling on the seismic response of the bridge was studied.The results indicate that compared with no pipe-bridge coupling effect,the natural vibration period of the bridge structure is longer under the pipe-bridge coupling effect,and the excited order of natural vibration modes changes.Under the excitation of seismic wave,the pipe-bridge coupling effect has different influences on the force and deformation of different components.The shear force of cable pylon along the bridge and the lateral displacement of main girder decrease.However,the axial force of top chords and vertical deflection of main girder increase.The actual dynamic characteristics of the structure can be factually reflected through considering the pipe-bridge coupling effect in the calculation process.

oil and gas pipeline; suspension bridge; seismic response; dynamic characteristic; traveling wave effect; uniform excitation; coupling; vibration mode

2015-09-21.

國家自然科學(xué)基金資助項目(51508474).

楊永清(1965-)，男，四川閬中人，教授，博士，主要從事既有橋梁結(jié)構(gòu)損傷識別與健全性評估理論等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.17

TU 378.2

A

1000-1646(2016)02-0211-05

*本文已于2016-03-02 16∶42在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版.網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.014.html

建筑工程