結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)大跨度斜拉橋動(dòng)力特性的影響分析

李云逸

(長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410114)

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是結(jié)構(gòu)本身的固有特性,它取決于結(jié)構(gòu)剛度、質(zhì)量、質(zhì)量分布及支撐條件等[1]。斜拉橋的抗風(fēng)性能、抗震性能及結(jié)構(gòu)體系問(wèn)題都與動(dòng)力特性密切相關(guān),因此對(duì)斜拉橋進(jìn)行動(dòng)力特性分析十分必要。針對(duì)大跨度斜拉橋動(dòng)力特性的影響因素分析,Ni Y. Q.等采用SVM技術(shù)將溫度效應(yīng)對(duì)汀九斜拉橋振動(dòng)頻率的影響進(jìn)行了量化[2];張志恒等以某大跨度雙塔雙索面斜拉橋?yàn)槔?在對(duì)拉索彈性模量進(jìn)行修正的前提下,分析了主梁剛度、主塔剛度及斜拉索截面積變化對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響[3];吳興邦等分析了加勁梁彈性模量、橫向抗風(fēng)支座及邊跨輔助墩等參數(shù)對(duì)三塔斜拉橋動(dòng)力特性的影響[4];趙瀚瑋等基于黃岡公鐵兩用斜拉橋結(jié)構(gòu)振動(dòng)加速度與結(jié)構(gòu)溫度的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),研究了溫度對(duì)橋梁豎向動(dòng)力特性的影響[5];楊志魁研究了自質(zhì)量、剛度、有無(wú)縱向水平索、索力大小對(duì)西安富裕路灃河鋼拱塔斜拉橋動(dòng)力特性的影響[6]。上述文獻(xiàn)主要對(duì)寬度較小的斜拉橋動(dòng)力特性影響因素進(jìn)行分析,對(duì)大跨度寬幅斜拉橋的研究較少。本文以武漢西四環(huán)漢江特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,采用ANSYS有限元軟件建立斜拉橋有限元模型,分析二期恒載、拉索損傷和拉索斷裂等結(jié)構(gòu)因素對(duì)大跨度斜拉橋動(dòng)力特性的影響。

1 工程概況

武漢西四環(huán)漢江特大橋主橋?yàn)閷挿p塔雙索面半漂浮體系混凝土斜拉橋,長(zhǎng)度714 m,主跨分布為77 m+100 m+360 m+100 m+77 m,橋面寬度44 m。主梁為雙邊箱Π形梁,主塔為H形,每個(gè)索面有28對(duì)斜拉索。主要構(gòu)件的材料參數(shù)見表1、表2,拉索編號(hào)規(guī)則見圖 1。

表1 斜拉橋主要構(gòu)件的材料參數(shù)

2 斜拉橋有限元分析模型

為確保橋梁模型動(dòng)力分析的準(zhǔn)確性,在建立有限元模型時(shí),結(jié)構(gòu)質(zhì)量、剛度及邊界條件的設(shè)置應(yīng)與工程實(shí)際相符[7]。采用ANSYS有限元軟件建立漢江特大橋脊骨梁式空間桿系模型,主梁、剛臂(塔柱和塔柱間橫梁)和橋墩、橋塔均采用Beam 188單元模擬,拉索采用Link 10單元模擬,對(duì)主塔進(jìn)行變截面處理。全橋共劃分為1 105個(gè)單元。全橋有限元模型見圖2。

表2 拉索的材料參數(shù)

圖1 漢江特大橋拉索編號(hào)示意圖

圖2 漢江特大橋有限元模型

該橋?yàn)榘肫◇w系,主梁、主塔固結(jié),橋墩、橋塔底部固結(jié),主梁、橋墩施加橫向和豎向約束,對(duì)主梁、主塔處作耦合處理。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

漢江特大橋前20階振動(dòng)頻率、振型見表3。根據(jù)表3,漢江特大橋的基頻為0.395 75 Hz,不屬于長(zhǎng)周期(不超過(guò)5 s),對(duì)應(yīng)振型為主梁和主纜的一階對(duì)稱豎彎;各階頻率差值較小,頻率出現(xiàn)集聚現(xiàn)象,與大跨度半漂浮體系斜拉橋動(dòng)力特性的一般規(guī)律相符;主塔第3～6階模態(tài)出現(xiàn)橫彎,高聳空心塔柱的抗彎剛度較弱。

表3 漢江特大橋前20階自振頻率和振型描述

4 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)動(dòng)力特性的影響

斜拉橋自振頻率會(huì)受到斜拉橋結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度的影響[1],橋面更換、斜拉橋二期恒載會(huì)因此產(chǎn)生變化。相關(guān)研究表明,二期恒載盡管在恒載質(zhì)量中占比不大,但不可忽略,會(huì)改變大跨度斜拉橋的自振頻率[8];拉索損傷對(duì)橋梁動(dòng)力性能存在影響[9-10],拉索受到損傷后其有效面積減小,彈性模量折減,拉索損傷程度越大,對(duì)動(dòng)力特性的影響越大[11];拉索斷裂后斜拉橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布,會(huì)增大結(jié)構(gòu)倒塌的風(fēng)險(xiǎn),正確評(píng)估拉索斷裂情況下斜拉橋的動(dòng)力性能是斜拉橋抗倒塌研究的重要內(nèi)容[12]。結(jié)合漢江特大橋的實(shí)際情況,對(duì)不同二期恒載、拉索彈性模量及拉索斷裂時(shí)該橋的動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算,分析結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)該橋動(dòng)力特性的影響。

4.1 二期恒載變化對(duì)動(dòng)力特性的影響

根據(jù)該橋可能維修的情況,將二期恒載分別降低和提高10%、20%進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算,分析二期恒載變化對(duì)該橋動(dòng)力特性的影響。不同二期恒載下該橋前10階振動(dòng)頻率見表4。

由表4可知:正負(fù)20%以內(nèi)二期恒載變化對(duì)該橋動(dòng)力特性的影響較小,各階振動(dòng)頻率變化率均小于0.1%;增大二期恒載,自振頻率降低;減小二期恒載,自振頻率增大。

表4 不同二期恒載下斜拉橋的振動(dòng)頻率

4.2 拉索損傷對(duì)動(dòng)力特性的影響

隨著橋梁服役時(shí)間的增長(zhǎng),拉索會(huì)出現(xiàn)損傷。拉索損傷主要包含拉索承載截面積減小和材料性能劣化引起拉索彈性模量改變兩方面[13-14]。拉索彈性模量變化是拉索剛度改變的可能因素之一。拉索未損傷時(shí)的彈性模量為1.95×1011Pa,考慮拉索性能劣化導(dǎo)致彈性模量分別減小5%和10%、拉索銹蝕等導(dǎo)致拉索有效截面積分別減小5%和10% 4種工況,分析拉索損傷對(duì)該橋動(dòng)力特性的影響。各工況下該橋前20階振動(dòng)頻率見表5。

表5 拉索損傷對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響

由表5可知:隨著拉索損傷程度的增大,該橋振動(dòng)頻率減小,且振動(dòng)頻率變化率增大,對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響增大。拉索損傷對(duì)該橋第3～6階及第10階振動(dòng)頻率幾乎沒(méi)有影響;對(duì)第7～9階、第14階及第17～20階振動(dòng)頻率有影響,但改變率小于2.00%;對(duì)第1～2階、第11～13階及第15～16階振動(dòng)頻率的影響較顯著,最大改變率約為3.95%。另外,拉索承載截面積變化對(duì)該橋動(dòng)力特性的影響略大于彈性模量變化的影響。

4.3 拉索斷裂對(duì)動(dòng)力特性的影響

斜拉橋按超靜定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),通?？梢越?jīng)受某根拉索的斷裂,但各索力的重新分配會(huì)加速拉索的疲勞損傷甚至導(dǎo)致拉索發(fā)生斷裂。在該橋上游端選取9×4=36根拉索模擬拉索斷裂。根據(jù)相關(guān)研究成果,長(zhǎng)索斷裂對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響較明顯。因此,在長(zhǎng)索區(qū)設(shè)置更多的拉索斷裂工況,每跨均勻選取9種拉索斷裂工況進(jìn)行研究。不同拉索斷裂工況下該橋的動(dòng)力特性變化見圖3～6。

圖3 3#塔邊跨單根拉索斷裂工況下斜拉橋的振動(dòng)頻率變化

圖4 3#塔中跨單根拉索斷裂工況下斜拉橋的振動(dòng)頻率變化

圖5 4#塔邊跨單根拉索斷裂工況下斜拉橋的振動(dòng)頻率變化

圖6 4#塔中跨單根拉索斷裂工況下斜拉橋的振動(dòng)頻率變化

由圖3～6可知:邊跨發(fā)生拉索斷裂,該橋第1階、第7階、第11～12階振動(dòng)頻率變化較明顯,變化率大于0.3%;中跨發(fā)生拉索斷裂,第11～12階、第15階振動(dòng)頻率變化較明顯,變化率大于0.3%;拉索斷裂對(duì)第3～6階、第10階、第19階振動(dòng)頻率幾乎沒(méi)有影響。整體來(lái)說(shuō),拉索斷裂后該橋的振動(dòng)頻率減小。長(zhǎng)索端發(fā)生拉索斷裂,橋梁動(dòng)力特性變化尤其明顯,相鄰拉索發(fā)生斷裂,振動(dòng)頻率變化率相差較大;短索端拉索斷裂,橋梁動(dòng)力特性幾乎不發(fā)生變化。

5 結(jié)論

(1) 二期恒載變化對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響很小,第3～6階振動(dòng)頻率幾乎不受二期恒載變化的影響。二期恒載變化對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響可不予考慮。

(2) 拉索損傷對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響較大,最大振動(dòng)頻率變化率為3.95%;拉索損傷程度越大,振動(dòng)頻率越小;振動(dòng)頻率變化率越大,對(duì)動(dòng)力特性的影響越大;拉索有效截面積的改變對(duì)振動(dòng)頻率的影響最突出。

(3) 單根拉索斷裂對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響較小,其中長(zhǎng)索斷裂時(shí)動(dòng)力特性變化較明顯,短索斷裂時(shí)動(dòng)力特性變化很小。拉索斷裂主要考慮長(zhǎng)索發(fā)生斷裂的情況,以中跨長(zhǎng)索發(fā)生斷裂對(duì)動(dòng)力特性的影響最明顯。