高墩大跨连续刚构桥结构自振特性分析

厚度为 27. 73m。第 % - 3层为弱风化片麻岩, 平均 厚度 23. 85m。在建模时, 按每四米一层细分。各土
平均厚度为 0. 76m; 第 ∃ 层为含碎石角砾, 土层厚度 层水平抗力数的比例系数 m 见表 2, 其刚度计算见
为 6. 85m, 第 % - 1层为全风化片麻岩, 土层平均厚 表 3。
空间计算 模型 [ J]. 长沙交通学院学报, 2003, ( 6).
动力特性。桥梁结构的动力特性是 指桥梁的固有 型的模态示意图 ( 见图 3~ 图 7) 。
表4
A、B、C 三种模型前十阶自振频率表
模型 A 振型阶次
自振频率 与模型 B的比率
模型 B 自振频率 与模型 B的比率
模型 C 自 振频率 与模型 B 的比率
1
0. 22412
1. 06
0. 211434
1
0. 205091
0. 97
2
0. 29436
0. 94
0. 313149
1
0. 297491
0. 95
3
0. 30900
1. 05
0. 294286
1
0. 279571
0. 95
4
0. 68860
1. 02
0. 675098
1
0. 661596
0. 98
5
0. 82795
0. 86
0. 962733
1
0. 933851
8 359 2 25 07 76 69 66 00
9 72 00 2 916 00 8 100 00
第四小层 第五小层 第六小层 第七小层
890 190 1 144 53 0 1 398 87 0 1 653 21 0
88 191 2 113 388 7 138 586 1 163 783 6
97 52 40 12 538 80 15 325 20 18 111 60
2 结构计算模型
结构计算模型是进行结构静、动力分析时所采
用的能够反映结构的力学性能和构造特点的计算模 式。因此, 正确建立结构动力计算模型是进行地震 反应分析的首要前提。根据大桥的结构设计特点, 只对大跨度刚构主桥进行抗震计算分析, 为了便于 比较分析, 对该桥段建立了三个计算模型。具体模 型见图 1和图 2, 模型 A 为不考虑桩 - 土相互作用 和库水作用, 模型 B 为考虑桩 - 土相互作用但不考 虑库水作用, 模型 C 为考虑桩 - 土相互作用且考虑 库水作用。
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林业建设
2009 年
高墩大跨连续刚构桥结构自振特性分析
汪秀根
( 国家林业局昆明勘察设计院, 云南昆明 650225)
摘要: 以小湾水电站水库淹没而复建的漭街渡连续刚构 桥主桥 为工程背 景, 利用大型 通用有 限元分 析软件 ANSYS, 建立 了有限元分析模型, 分析了高墩大跨连续刚构桥主桥结构自振特性, 其研究结果可供类似工程参考借鉴。
关键词: 连续刚构桥; 有限 元分析; 结构自振特性
1 工程简介
小湾水电站水库淹没而复建的漭街渡连续刚构 特大桥, 其特点是大跨、深水、超高墩、窄桥, 桥跨布 置为 3 50+ 116+ 220+ 116+ 4 50m, 墩高 168m, 主梁宽仅 8m。小湾电站大坝建成蓄水后, 大桥的两 个主墩将有 140米左右淹没在库水中, 为了平衡墩 体受力, 桥墩内部也将充满水。因此在结构自振特 性分析时, 除了考虑桩 - 土相互作用、桥墩周围的库 水作用外, 还要考虑墩体内的水作用。
是桥墩外围的库水对于震动中的桥墩所产生的作用 效的原则把土的水平抗力的作用用弹簧来模拟, 在
将表现为惯性力的形式; 二是墩体内的库水在桥墩 40m 的桩长范围每隔 4m 划分 1个单元, 共生成 10
的震动中, 作为桥墩质量的一部分随桥墩一起震动, 个单元, 同时也生 成 40个与 桩相连的横向 弹簧单
4 结论
以小湾水电站水库淹没复建的漭街渡连续刚构 桥主桥为工程背景, 利用有限元程序计算, 分析了三 种考虑情况之下连续刚构桥主桥的结构自振特性。 通过分析, 得出以下几点结论。
( 1) 考虑桩土相互作用时会引起结构自由度的 增加, 从而使结构自振频率降低。
( 2) 考虑墩水作用时会引起自振频率的降低。 ( 3) 由于桥墩高, 桥面较窄, 主桥的整体刚度表 现得较柔, 横向刚度的柔性特别明显。对于高墩窄 桥, 需要对桥梁的横向稳定性进行仔细设计。
0. 97
6
1. 2365
1. 07
1. 155607
1
1. 016935
0. 88
7
1. 2998
0. 97
1. 34
1
1. 0586
0. 79
8
1. 3791
1. 07
1. 288879
1
0. 992436
0. 77
9
1. 4377
1. 12
1. 283661
1
1. 001255
0. 78
10
1. 5233
1 25 663 70
125 66 370
12 566 37 0
3 桥梁自振特性分析
频率和振型。模态的提取方法即 特征值的求解方
3. 1 模态分析
法利用子空间迭代法。分析了主桥的 150阶振型,
用模态分析可以确定设计结构的振动特性, 即 这里仅列出前 10阶的自振频率 ( 见表 3) , 及前 5振
这些水的质量将转化为桥墩的等效质量。由于墩体 内的水增加了墩体的有效重量, 从而增大了墩体在
元, 这种弹簧单元的单元长可以是任意的, 可根据群 桩的桩距适当地选取 [ 3] , 在计算中单元长取为 1m。
地震当中的地震荷载, 给桥墩的设计带来一定的困 难。
最后, 模型中的等代土弹簧根据 ! m ∀值法计算 各参数。对于各桩的计算宽度 ( 见表 1), 按规范 [ 2]
竖向及横桥向的位移, 同时约束主桥纵向位移; 引桥 对主桥的贡献通过采用弹簧单元模拟支座与梁体的
收稿日期: 2009- 02- 21
第 2期
汪秀根: 高墩大跨连续刚构桥结构自振特性分析
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约束关系来约束主桥纵向而实现; 墩梁固结部分采 恒载为沿顺桥向 28. 6kN /m, 采用 MASS21质量单元
( 2) 在模型 A 的前十阶振型中, 包括了桥墩、梁 以及墩梁耦合的振动, 振型形态差别较大。在模型 的振动形态中, 第一阶的基本振型是侧向对称横弯, 第二阶振型为侧向反对称横弯, 而第三阶振型为竖 向反对称弯曲及纵向平移, 前 10阶振型以横桥向贡 献为主。由于桥墩很高, 桥面较窄, 主桥的整体刚度 表现得较柔, 横向刚度的柔性特别明显。对于纵向 除了要保证桥墩在地震作用下不发生任何形式的破 坏之外, 还要注意梁端部留有足够的位移空间。
表1
各桩的计算宽度
桩径
2. 5m
部位
0、3 号墩纵向
0、3 号墩横向
1、2 号墩横向
1、2 号墩纵向
计算宽度 ( m )
2. 7
2. 62
2. 53
2. 68
注: 考虑到各墩桩的纵向和横向的桩间相互影响不同, 故分别处理。
土层根据桥位场地地质条件实际土层拟定, 桥 墩处地基土一共包括五层 [ 1] : 第 # 层为植被土, 土层
度为 8. 39m, 第 % - 2层为强风化片麻岩, 土层平均
表2
各土层水平抗力系数的比例系数 ! m∀
土层
第一层
第二层
第三层
第四层
第五层
m ( KN /m4 )
Βιβλιοθήκη Baidu
18 103
30 103
350 103
100 103
1500 103
注: 第 % 层 m 值按岩石取值, 单位为 kN /m3。
在计算时, 对于岩石类等代刚度按 k =
主桥计算模型如下图所示。
图 1 计算模型 A
大桥几何模型采用 BEAM 188三维线性有限应 变梁单元创建。梁单元控制截面均按照一般构造图 提供的截面尺寸建立。模型包括主跨箱梁、主墩、承 台以及交界墩。考虑了墩体与水的耦合效应对结构
图 2 计算模型 B、C
的影响。 桥墩底部与承台完全固结, 主梁与交界墩耦合
1. 16
1. 31319
1
1. 142475
0. 87
图 3 第一阶振型: 一阶正对称横弯
第 2期
汪秀根: 高墩大跨连续刚构桥结构自振特性分析
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图 4 第二阶振型: 一阶反对称横弯 图 5 第三阶振型: 反对称竖弯 + 纵向平 移
图 6 第四阶振型: 对称横弯 图 7 第五阶振型: 反对称横弯
11 34 000 14 58 000 17 82 000 21 06 000
第八小层 第九小层
1 256 637 0 1 256 637 0
1 25 663 70 1 25 663 70
125 66 370 125 66 370
12 566 37 0 12 566 37 0
第十小层
1 256 637 0
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林业建设
2009 年
3. 2 计算结果分析 ( 1) 动力特性分析时建立了三个分析模型, 即
模型 A、模型 B、模型 C。计算出前十阶自振频率对 比分析表明: 桩土相互作用对自振特性会产生一定 影响, 考虑桩土相互作用时会引起结构自由度的增 加, 从而使结构自振频率降低。在后续计算中, 所有 模型均采用考虑桩土共同作用的计算模型。考虑墩 水作用同样会引起自振频率的降低。
在模型建立时取等代土弹簧的长度为 1m。
= a bp m Z
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林业建设
2009 年
表3
各土层的等代土弹簧的刚度列表
刚度 K n/m
土层
1、2 号墩横向
1、2 号墩纵向
0、3 号墩横向
0、3 号墩纵向
第一小层 第二小层 第三小层
763 02 228 906 635 850
75 592 22 677 7 62 993 7
( 2) 二期恒载的考虑。二期恒载主要包括桥面 公式计算:
铺装、人行道、栏杆和各类管线等, 这部分荷载对于 大桥刚度基本无贡献, 只是增加了桥面的地震荷载。 因此, 将二期恒载转化为点质量来施加。大桥二期
B = ks ko kd 式中, ks 为桩基截面形状换算系数, ko 为受力换 算系数, k 为桩间相互作用系数。
用刚性梁单元进行连接。
模拟。
2. 1 库水作用及二期恒载模拟
2. 2 桩基模拟
在模型当中, 库水的作用效果、二期恒载的作用
桩基的结构计算模式根据桩基础理论按等效刚
分别按照以下方式考虑。
度代换原则, 模拟地基对桩的水平抗力和垂直抗力
( 1) 库水的动力作用主要 表现在两个方面: 一 的作用。从群桩中取出单根桩来分析, 根据刚度等
1 4
D2 m
计算。而第一层与第二层的等代刚度计算按下面公
式计算:
K s = XPsz= A X z zx = ( a
bp )
(m Xz
Z
Xz )
式中: a为土层的厚度; bp 为该土层在垂直于计 算模型所在平面的方向上的宽度, 常取桩的计算宽 度, 其计算方法可参看规范 [ 2] 相关规定; Z 为土层的 深度。
参考文献: [ 1]国家林业局 昆明勘察设计院. 小湾水电站水库淹没凤庆
县漭街渡 大桥复建工程工程地质详细勘察报告 [ R ] . [ 2]交通部公路 规划设计院. JT J024- 85公路桥涵地基与基
础设计规 范 [ S]. 北京: 人民交通出版社 1985. [ 3]颜东煌, 赖敏芝, 张克 波, 等. 茅 草街大桥基于 ANSYS 的