开封黄河二桥主桥动力特性分析

第40卷第1期郑州大学学报(理学版)Vol140No11　2008年3月J.of Zhengzhou Univ.(Nat.Sci.Ed.)Mar12008
开封黄河二桥主桥动力特性分析
赵红垒1,谷定宇2
(1.河南工程学院建筑工程系　郑州451191;2.河南新开元路桥工程咨询有限公司　郑州450016)
摘要:以大广线开封黄河二桥主桥———7塔8跨预应力混凝土矮塔斜拉桥为研究对象,借助MIDAS/Civil有限元程序建立了该桥梁空间有限元计算模型,采用子空间迭代法计算了桥梁的动力特性.计算结果表明,该桥梁的低阶振动主要表现为桥面系的整体竖向振动和桥塔的横向振动,桥梁结构的自振周期较大,振型较为密集,由于该桥梁宽跨比较大,桥面整体竖向振动出现比较早,桥梁的第1阶扭转频率与第1阶竖弯频率之比为4.01,表明该桥梁具有良好的气动稳定性.
关键词:有限元法;自振频率;振型;矮塔斜拉桥
中图分类号:U441+.3 文章编号:1671-6841(2008)01-0120-05
0　引言
矮塔斜拉桥(又称部分斜拉桥)是近些年来在斜拉桥基础上发展起来的一种新型的桥梁结构形式,就结构特性而言,矮塔斜拉桥是介于连续梁桥与斜拉桥之间、刚柔并济的一种新桥型[123].国内目前修建的矮塔斜拉桥比较少,对其结构特性了解不多,特别是对该类桥梁的动力和抗震方面研究更少[425].桥梁的动力特性反映了桥梁的刚度指标,取决于结构的组成体系、刚度、质量分布以及支撑条件等,是桥梁结构动力分析和抗震设计的重要参数,对正确进行桥梁结构设计和安全维护具有重要意义[6].因此,对矮塔斜拉桥进行动力性能研究具有重要理论意义和实用价值.
本文以大广线开封黄河二桥主桥———7塔8跨预应力混凝土矮塔斜拉桥为研究对象,建立了该桥梁空间有限元计算模型,采用子空间迭代法计算了桥梁的动力特性,结果表明该桥梁具有良好的气动稳定性,计算所得数据可为该桥在运营阶段的健康监测和维护提供参考.
1　工程概况
大广线开封黄河二桥主桥为7塔8跨预应力混凝土矮塔斜拉桥[7],主桥全长为1010.0m,跨径布置为(85.0+6×140.0+85.0)m,双塔双索面,拉索布置采用竖琴型.结构体系为主墩处塔梁固结,中间桥塔处主梁与桥墩固结,其他桥塔处主梁通过支座简支在桥墩上.主梁采用预应力混凝土单箱三室截面,桥面宽37.4m,设纵、横、竖三向预应力,根部梁高5.0m,高跨比1/28,跨中梁高2.5m,高跨比为1/56,梁高按二次抛物线变化,箱梁顶宽37.4m,箱梁底宽16.0～26.0m,边腹板斜置.主梁除支点处设置横隔墙外,每根拉索锚固点设有隔墙.桥塔为实心截面,顺桥向长6.0m,横桥向宽1.7m,桥面以上塔高为36.0m(结构高度28.0m),塔高与跨径之比为1/5,布置在外侧护栏外侧,与主梁固结.主桥下部为箱型薄壁墩、群桩基础,墩高12.8～15.0m,墩长宽均为6.0m.主梁、桥塔、桥墩均采用C50混凝土.该桥标准跨侧立面及主梁根部正断面布置如图1所示.
收稿日期:2007210211
作者简介:赵红垒(1980-),女,助教,硕士,主要从事土木工程研究,E2mail:alei5225@.
　第1期赵红垒等:
开封黄河二桥主桥动力特性分析图1　桥梁标准跨布置图
Fig.1　Bridge standard cross layout arrangement
2　桥梁有限元建模
建立正确的桥梁动力计算模型是进行桥梁结构动力分析的基础,良好的桥梁动力计算模型应能正确模拟结构的刚度、质量和边界条件,尽量与实际结构相符.为了能较为准确地反映开封黄河二桥主桥的动力特性,本文采用M IDAS/Civil 空间有限元程序建立该桥梁的动力计算模型:主梁采用空间弹性梁单元的单主梁模型来模拟,即把桥面系的刚度(拉伸刚度、竖向抗弯刚度、横向抗弯刚度、自由扭转刚度)和质量(平动质量和转动质量)都集中在中间节点上,节点和斜拉索之间采用刚臂连接或处理为主从关系,对于闭口箱形截面的主梁,单主梁模型是常采用的计算模型[8];斜拉索采用空间只受拉杆单元模拟,由于该桥桥塔比较矮、跨径不是很大,从而斜拉索比传统的斜拉桥斜拉索短,在动力计算中不考虑斜拉索垂度对斜拉索刚度的影响;桥塔、桥墩及桥墩间横向联系采用空间弹性梁单元来模拟,不考虑桩基础对整个结构的影响.桥塔与主梁之间用刚性连接来模拟塔梁固结,中间桥塔处主梁与桥墩之间约束全部6个自由度来模拟梁墩固结,其他桥塔处主梁与桥墩之间释放顺桥向位移来模拟双向活动支座.桥墩根部固结,边跨不再设桥墩,释放顺桥向位移和绕横桥向旋转自由度来模拟桥梁支座.桥梁动力计算有限元模型如图2所示
.
图2　桥梁有限元计算模型
Fig.2　Bridge finite element calculating model
3　计算结果与分析
动力特性主要包括自振频率及主振型等,其中低阶振型对结构起控制作用.借助M IDAS/Civil 有限元程序,采用子空间迭代法求解开封黄河二桥主桥的动力特性,得出该桥梁前40阶的自振频率、周期和振型,由于振型比较集中,特别是桥塔振动比较集中,限于篇幅文中只给出前15阶及典型振型的自振频率和振型,计算结果列于表1,前4阶振型图如图3～图6所示.
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郑州大学学报(理学版)
第40卷
表1　桥梁自振频率和振型特征
T ab.1　Bridge natural vibration f requency and vibration model characteristics 振型阶次 频率/Hz 周期/s
振型特征 1
0.608601 1.643114桥面系竖向1阶反对称振动2
0.703123 1.422226桥面系竖向1阶正对称振动3
0.724610 1.3800532～6#桥塔面外1阶正对称振动4
0.724614 1.3800452、3、5、6#桥塔面外1阶反对称振动5
0.724620 1.3800341、2、4、6、7#桥塔面外1阶正对称振动6
0.724638 1.3799991～3、5～7#桥塔面外1阶反对称振动7
0.724659 1.3799601、3～5、7#桥塔面外1阶正对称振动8
0.724691 1.3798981、2、5、6#桥塔面外1阶反对称振动90.
724696 1.3798891～7#桥塔面外1阶正对称振动10
0.725369 1.3786081、3、5、7#桥塔面外1阶反对称振动11
0.725369 1.3786081、2、4、6、7#桥塔面外1阶正对称振动12
0.725369 1.3786081～3、5～7#桥塔面外1阶反对称振动13
0.725369 1.3786082～6#桥塔面外1阶正对称振动14
0.725369 1.3786081～7#桥塔面外1阶反对称振动15
0.725369 1.3786081～3、5～7#桥塔面外1阶正对称振动31
2.4408060.409701桥面系1阶反对称扭转32 2.5241070.396180桥面系2阶正对称扭转
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　第1
期赵红垒等:开封黄河二桥主桥动力特性分析 由计算结果可以看出,开封黄河二桥主桥振型主要包括桥面系竖向振动和桥塔面外振动,特别是桥塔面外振动,由于桥塔比较多,导致桥塔振型比较复杂.该桥梁的振型主要特点如下:
(1)该桥梁的基本周期为1.643s ,第1阶振型为桥面系的1阶反对称竖向振动振型,该振型对斜拉桥的地震响应和抗风稳定性有很大影响,也对车辆的振动反应有较大影响.竖向振动振型的出现顺序取决于桥梁的宽跨比,宽跨比大的桥梁,其第1阶竖向振动出现在前,宽跨比小的桥梁,其第1阶竖向振动出现在后.开封黄河二桥主桥主跨140.0m ,桥面宽37.4m ,宽跨比为1/3.74,比较大,所以第1阶竖弯振型出现较早.第2阶振型为桥面的1阶正对称振动振型,这也是由于该桥梁宽跨比较大造成的.
(2)该桥梁桥塔反对称侧向振动出现在第3～9阶,桥塔的对称侧向振动出现在第10～16阶.在斜拉桥结构体系中,对桥塔横向地震反应贡献最大的是以桥塔振动为主的振型(桥塔的对称侧向振动和反对称侧向振动),一般出现在第3阶、第4阶振型,开封黄河二桥主桥符合这种规律,并且桥塔振动的自振频率非常接近,振型较为集中,体现了多跨连续梁体系矮塔斜拉桥的特点.
(3)斜拉桥桥面系第1阶扭转自振频率也是被关注的频率,它的大小与斜拉桥的颤振临界风速有很大关系,因为扭转振型在斜拉桥的颤振中占主要成份,临界风速基本上与第1阶扭转频率成线性关系,即第1阶扭转频率越高,颤振临界风速也越大.从抗风的角度考虑,希望桥面第1阶扭转频率与桥面的第1阶竖弯频率的比值大一些,这样斜拉桥的颤振临界风速就会高些,桥梁的气动稳定性也就越好.开封黄河二桥主桥第1阶扭转频率出现在第31阶,频率为2.4408Hz ,它与桥面第1阶竖弯频率之比为4.01,表明该桥梁有良好的气动稳定性.出现这种情况的主要原因有:一是主梁为单箱三室截面,抗风效果比一般开口截面主梁好;二是采用双斜索面,也提高了结构的抗扭刚度.
(4)人体对振动比较敏感的频率范围为2.0～6.0Hz ,该桥梁的自振特性表明,其前15阶自振频率均不超过1.0Hz ,不在该范围内;另一方面,载重车辆的基本频率一般都在2.5～3.5Hz 之间,而该桥梁的竖向第1阶自振频率仅为0.6086Hz ,离该范围比较远,因此可以得出:该矮塔斜拉桥的基频不在人体较敏感的范围内,车辆荷载不会引起桥梁明显的结构振动效应.
(5)该桥梁前15阶振型有两阶为桥面系竖向振动,其余均为桥塔的侧弯振型,并且振型比较集中,频率差别不大,表明该桥面内基频小于面外基频,与一般斜拉桥的动力特性相反,说明该桥主梁刚而塔柔,符合矮塔斜拉桥的特性.由于开封黄河二桥主桥桥塔和桥墩给桥面系提供了纵向约束,因此没有出现桥面系纵飘振型.
上述计算结果可为该桥的设计、施工提供参考,也可为该桥梁在成桥运营过程中的健康监测和维护提供基础性数据.
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郑州大学学报(理学版)第40卷
Dynamic Perform ance Analysis
of the K aifeng Yellow River2nd Main B ridge
ZHAO Hong2lei1,GU Ding2yu2
(1.Dep artment of Ci vil Engi neeri ng,Henan Engi neeri n g I nstit ute,Zhengz hou451191,Chi na;
2.Henan N ew cent ury L oa d&B ri d ge Consult ation Co.L t d.,Zhengz hou450016,Chi na)
Abstract:The main bridge of t he Kaifeng Yellow River2nd bridge of Daguang freeway is72tower and82span p rest ressed concrete ext radosed cable2stayed bridge.By adopting M IDAS/Civil finite element p rocedure,t he space finite element calculating model is set up,and t he dynamic perform2 ance using sub2spatial repetitive p rocess is calculated.The result indicates t hat t he low step s vi2 bration of t he bridge mainly takes t he form of whole vertical vibration of t he bridge deck system and horizontal vibration of t he bridge tower;nat ural vibratio n cycle is bigger,and vibration mod2 el is crowded.Because t he widt h2span ratio of t his bridge is heavier,whole vertical vibration deck system appears earlier;t he ratio of t he1st step reverse f requency and t he1st step vertical st roke curved frequency is4.01.The result s show t hat t his bridge has t he good air operated stability.
K ey w ords:finite element met hod;nat ural vibration frequency;vibration model;ext rado sed ca2 ble2stayed bridge
(上接第96页)
Determination ofβ2amino Alcohol Drug Intermediates by T LC
L I Y ong2ho ng1,2,　YU Mei2yan1,　WAN G Rui1,　L IU Hong2min1
(1.N ew D ru g Research&Development Center,Zhen gz hou Universit y,Zhengz hou450052,Chi na;
2.Dep artment of Chemist ry,Zhengz hou U ni versit y,Zhengz hou450001,Chi na)
Abstract:The separations are performed on silica2gel GF254plate wit h chloroform2met hanol as t he developing solvent and iodine vapor as t he color agent.The content of twoβ2amino alcohol drug intermediates is determinated simultaneously by doublel2wavelengt h scanning met hod.The good linear ranges for t hem are bot h50～250μg,and t he average recoveries are98.4%and98.0%,re2 spectively.This met hod is simple wit h satisfactory accuracy,p recision and recovery,and can be used for t he quality control of process.
K ey w ords:t hin2layer chromatograp hy(TL C);drug intermediate;β2amino alcohol;bioconver2 sion brot h。