无背索独塔斜拉桥的动力特性分析
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Bridge Engineering ,1996 ,1 (3) :992103. [ 7 ] 施新欣. 大跨度无背索斜塔斜拉桥的动力特性分析 [J ] . 结
构工程师 ,2006 ,22 (5) :54257. [8 ] 黄国勇. 大跨度无背索斜塔斜拉桥合理结构型式研究 [ D ] .
长沙 :湖南大学 ,2005. [ 9 ] 陈 涛 ,李雪峰 ,王建国. 合肥市铜陵路无背索斜拉桥空间
1. 1 材料及属性
上部结构采用 C50 混凝土 ,桥墩采用 C40 混凝土 ;箱梁预应 力钢筋采用 ASTMA416292 标准中 270 级钢绞线 ,标准抗拉强度 f pk = 1 860 MPa , Ey = 195 000 MPa ;斜拉索采用高强度低松弛钢 绞线拉索体系 ,单根钢绞线直径 15. 24 mm ,钢绞线标准抗拉强度 f pk = 1 860 MPa , Ey = 195 000 MPa 。
胡荣金 方诗圣
摘 要 :结合一座跨径为 106 m 的预应力混凝土无背索独塔斜拉桥 ,对其建立空间模型进行了动力特性研究 ,采用反应
谱分析方法进行了地震反应分析 ,为以后同类桥梁的设计者和相关的研究者 、技术人员提供有益的帮助 。
关键词 :无背索斜拉桥 ,预应力混凝土 ,有限元分析 ,动力特性
中图分类号 :U448. 27
应力有限元分析[J ] . 研究与探索 ,2005 ,19 (3) :2252227.
The po wer characteristics analysis without dorsal column2free single2to wer cable2stayed bridge
HU Rong2jin FANG Shi2sheng Abstract : In t his paper , for a span of 106 m prestressed concrete wit hout dorsal column2free single2tower cable2stayed bridge , its power to set up space model characteristics is studied. Using response spectrum analysis met hod for seismic response analysis. For future designers of similar bridges and related researchers , technical staff provide useful assistance. Key words : wit hout dorsal column2free cable2stayed bridges , prestressed concrete , finite element analysis , power characteristics
恒载
顺桥向 J TJ ( RS) 横桥向
塔底 跨中 塔底 跨中 塔底
5 429. 10 - 34 244 86. 07 581. 09
0
J TJ ( RS) 跨中
0
剪力 Qy kN
0 0 0. 00 0 134. 98 102. 33
剪力 Qz kN
307. 82 - 450. 44
44. 96 61. 02
1. 2 荷载情况
J TJ 00422005 公路桥梁抗震设计规范征求意见稿中对于公
路桥梁抗震设计应考虑以下荷载 :1) 永久荷载 :包括结构重力 、预
应力 、混凝土收缩徐变 、土压力 、水压力以及水的浮力 ;2) 地震影响 :
包括地震动造成的地震作用 、地震动土压力以及地震动水压力 。
表 1 桥梁前十阶频率和振型
experimental study of a harp2shaped single span cable2stayed bridge[J ] . Journal of Bridge Engineering , 2005 , 10 ( 6) : 6582
665. [ 6 ] Starossek U . Cable2stayed bridge for longer spans[J ] . Journal of
模态号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
频率/ Hz 1. 48 1. 98 2. 51 2. 77 5. 20 6. 74 7. 44 7. 89 10. 62 10. 90
周期 0. 68 0. 50 0. 40 0. 36 0. 19 0. 15 0. 13 0. 13 0. 09 0. 09
本文结合一座跨径为 106 m 的预应力混凝土无背索独塔斜 拉桥 ,对其建立空间实体模型进行分析 ,研究其动力特性 ,运用反 应谱分析方法进行地震反应分析 。
1 桥梁空间有限元模型
桥梁跨径 106 m 。上部结构采用独塔斜拉桥 ,主桥箱梁为变 截面预应力混凝土连续箱梁 ,采用单箱双室截面 。主塔采用矩形 钢筋混凝土桥塔 ,纵桥向宽度为 3. 5 m ,横桥向宽度为 2. 0 m ,塔 高 35 m ,桥塔与主梁及桥墩采用固结连接 ,具体见图 1 。对该桥 空间结构分析 ,主塔和箱梁采用空间梁单元 ,拉索采用桁架单元 , 全桥共 144 个梁单元 ,36 个索单元 。全桥有限元模型见图 2 。
振型 塔侧弯 梁竖弯 + 塔纵弯 梁竖弯 塔侧弯 + 梁侧弯 梁侧弯 + 塔侧弯 梁竖弯 梁扭转 梁竖弯 + 塔纵弯 塔侧弯 + 梁扭转侧弯 梁竖弯
2 动力分析结果
对全桥进行反应谱分析 ,计算得到前十阶振型和频率列于
收稿日期 :2009203223 作者简介 :胡荣金 (19812 ) ,男 ,合肥工业大学土木与水利工程学院硕士研究生 ,安徽 合肥 230009
第2 0350
卷 9
第 年
21 7
期 月
胡荣金等
:无背索独塔斜拉桥的动力特性分析
·309 ·
表 1 ,主要的前四阶振型如图 3～图 6 所示 。
结构在多种荷载工况下控制截面的内力见表 2 。
3 反应谱分析结果
表 2 结构在多种荷载工况下控制截面的内力
荷载 位置 轴向力 N kN
方诗圣 (19622 ) ,男 ,博士 ,硕士生导师 ,教授 ,合肥工业大学土木与水利工程学院 ,安徽 合肥 230009
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
文献标识码 :A
1992 年西班牙建成了 Alamillo 桥 ,是世界首创的斜塔无背索 斜拉桥 ,是一个十分大胆 、新颖的工程 。自 Alamillo 桥建成后 ,斜 塔无背索斜拉桥就以其合理的结构 、优美的造型征服了全世界的 桥梁设计师 ,近十几年来 ,这种桥型在全世界范围内方兴未艾 ,在 国内的发展也比较快[1 ] 。
近年来 ,人们对无背索独塔斜拉桥也有一些研究 ,施新欣结 合一座跨径 223. 1 m 的钢筋混凝土组合材料的无背索斜拉桥方 案 ,初步探讨了三座大跨径无背索斜拉桥的动力特性 ,并分析了 斜拉索 、主梁 、桥塔的刚度变化及辅助措施对结构动力性能的影 响[1 ] 。张劲超从影响无背索斜拉桥受力的一些主要因素出发 ,包 括辅助孔和无索区的长度变化 ,主梁 、索塔和斜拉索的刚度变化 , 对无背索斜拉桥进行力学分析 ,总结了无背索斜拉桥的力学共 性[2 ] ;施新欣从无背索斜拉桥经济的角度寻找主要参数的合理比 例 ,在此基础上建立力学解析模型 ,分析无背索斜拉桥的力学参 数对静力性能的影响规律[7 ] 。王碧波从无背索斜拉桥梁塔平衡 的观点出发 ,以平衡受力的特点进行直观的简化分析 ,提出了由 平衡特征决定的一些结构基本特性[3 ] 。Reis AJ 等介绍了西班牙 一座斜塔斜拉桥 Europe Bridge 的结构体系[4 ] 。Shao Xudong 等以 长沙洪山庙无背索斜拉桥为背景 ,分析了该桥的受力[5 ] 。Aboul2 ellaf 等研究了无背索斜拉桥的桥塔受力 。黄国勇以钢筋混凝土 组合材料单塔无背索斜拉桥 ———酒泉卫星发射中心黑河公路大 桥为工程背景 ,应用通用有限元程序对该桥型进行了较为系统的 研究 ,介绍无背索斜塔斜拉桥的自振特性 ,全桥模型在荷载下的 稳定性特征 ,结构几何非线性的影响 ,斜塔倾角对结构的影响 ,体 系温差和局部温差对结构的影响等[8 ] ;陈涛等就单塔无背索预应 力混凝土斜拉桥 ———合肥市铜陵路桥 ,对其建立空间实体模型进 行应力分析 ,通过对该桥空间应力有限元分析 ,再现了大桥成桥 状态下各构件的应力和变形情况[9 ] 。
structural design[J ] . Journal of Constructional Steel Research ,
2004 (60) :3632372. [ 5 ] Shao Xudong ,Peng Wanghu ,Liu Guangdong ,et al. Design and
·308 ·
山 西 建 筑 第 35 卷
2009
第 年
21 7
期 月
SHANXI
ARCHI T EC TU R E
Vol . J ul.
35 No . 2009
21
文章编号 :100926825 (2009) 2120308202
无背索独塔斜拉桥的动力特性分析
4 结语
该桥一阶振型为桥塔的侧弯振型 ,结构基频 1. 47 Hz ;主梁竖 弯振型发生在第二阶 。
反应谱分析结果可以看出轴向力 N 、剪力 Qz 、弯矩 My 主要 是由恒载贡献 ,顺桥向的地震动对弯矩 My 也有一些贡献 , 而剪 力 Qy 、弯矩 M z 主要是由横桥向的地震动产生 。 参考文献 : [ 1 ] 施新欣. 无背索斜塔斜拉桥结构性能研究[ D ] . 上海 :同济大
0 0
扭矩 M x kN·m
0 0 0. 00 0 23. 25 326. 01
弯矩 M y kN·m
1 080. 69 177 780. 85
318. 43 4 471. 67
0 0
弯矩 MBiblioteka Baiduz kN·m
0. 00 1 864. 90
0. 01 0
1 219. 36 808. 24
从该表中可以看出轴向力 N 、剪力 Qz 、弯矩 My 主要是由恒 载贡献 ,顺桥向的地震动对弯矩 My 也有一些贡献 ,而剪力 Qy 、弯 矩 M z 主要是由横桥向的地震动产生 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
学 ,2005. [ 2 ] 张劲超. 无背索斜塔斜拉桥的静力性能及合理成桥状态研
究[ D ] . 长沙 :长沙理工大学 ,2004. [ 3 ] 王碧波. 无背索斜塔斜拉桥的结构静力平衡特征探讨 [J ] .
桥梁建设 ,2004 (3) :23226. [ 4 ] Reis AJ ,Pedro JJ O. The Europe Bridge in Portugal2concept and
构工程师 ,2006 ,22 (5) :54257. [8 ] 黄国勇. 大跨度无背索斜塔斜拉桥合理结构型式研究 [ D ] .
长沙 :湖南大学 ,2005. [ 9 ] 陈 涛 ,李雪峰 ,王建国. 合肥市铜陵路无背索斜拉桥空间
1. 1 材料及属性
上部结构采用 C50 混凝土 ,桥墩采用 C40 混凝土 ;箱梁预应 力钢筋采用 ASTMA416292 标准中 270 级钢绞线 ,标准抗拉强度 f pk = 1 860 MPa , Ey = 195 000 MPa ;斜拉索采用高强度低松弛钢 绞线拉索体系 ,单根钢绞线直径 15. 24 mm ,钢绞线标准抗拉强度 f pk = 1 860 MPa , Ey = 195 000 MPa 。
胡荣金 方诗圣
摘 要 :结合一座跨径为 106 m 的预应力混凝土无背索独塔斜拉桥 ,对其建立空间模型进行了动力特性研究 ,采用反应
谱分析方法进行了地震反应分析 ,为以后同类桥梁的设计者和相关的研究者 、技术人员提供有益的帮助 。
关键词 :无背索斜拉桥 ,预应力混凝土 ,有限元分析 ,动力特性
中图分类号 :U448. 27
应力有限元分析[J ] . 研究与探索 ,2005 ,19 (3) :2252227.
The po wer characteristics analysis without dorsal column2free single2to wer cable2stayed bridge
HU Rong2jin FANG Shi2sheng Abstract : In t his paper , for a span of 106 m prestressed concrete wit hout dorsal column2free single2tower cable2stayed bridge , its power to set up space model characteristics is studied. Using response spectrum analysis met hod for seismic response analysis. For future designers of similar bridges and related researchers , technical staff provide useful assistance. Key words : wit hout dorsal column2free cable2stayed bridges , prestressed concrete , finite element analysis , power characteristics
恒载
顺桥向 J TJ ( RS) 横桥向
塔底 跨中 塔底 跨中 塔底
5 429. 10 - 34 244 86. 07 581. 09
0
J TJ ( RS) 跨中
0
剪力 Qy kN
0 0 0. 00 0 134. 98 102. 33
剪力 Qz kN
307. 82 - 450. 44
44. 96 61. 02
1. 2 荷载情况
J TJ 00422005 公路桥梁抗震设计规范征求意见稿中对于公
路桥梁抗震设计应考虑以下荷载 :1) 永久荷载 :包括结构重力 、预
应力 、混凝土收缩徐变 、土压力 、水压力以及水的浮力 ;2) 地震影响 :
包括地震动造成的地震作用 、地震动土压力以及地震动水压力 。
表 1 桥梁前十阶频率和振型
experimental study of a harp2shaped single span cable2stayed bridge[J ] . Journal of Bridge Engineering , 2005 , 10 ( 6) : 6582
665. [ 6 ] Starossek U . Cable2stayed bridge for longer spans[J ] . Journal of
模态号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
频率/ Hz 1. 48 1. 98 2. 51 2. 77 5. 20 6. 74 7. 44 7. 89 10. 62 10. 90
周期 0. 68 0. 50 0. 40 0. 36 0. 19 0. 15 0. 13 0. 13 0. 09 0. 09
本文结合一座跨径为 106 m 的预应力混凝土无背索独塔斜 拉桥 ,对其建立空间实体模型进行分析 ,研究其动力特性 ,运用反 应谱分析方法进行地震反应分析 。
1 桥梁空间有限元模型
桥梁跨径 106 m 。上部结构采用独塔斜拉桥 ,主桥箱梁为变 截面预应力混凝土连续箱梁 ,采用单箱双室截面 。主塔采用矩形 钢筋混凝土桥塔 ,纵桥向宽度为 3. 5 m ,横桥向宽度为 2. 0 m ,塔 高 35 m ,桥塔与主梁及桥墩采用固结连接 ,具体见图 1 。对该桥 空间结构分析 ,主塔和箱梁采用空间梁单元 ,拉索采用桁架单元 , 全桥共 144 个梁单元 ,36 个索单元 。全桥有限元模型见图 2 。
振型 塔侧弯 梁竖弯 + 塔纵弯 梁竖弯 塔侧弯 + 梁侧弯 梁侧弯 + 塔侧弯 梁竖弯 梁扭转 梁竖弯 + 塔纵弯 塔侧弯 + 梁扭转侧弯 梁竖弯
2 动力分析结果
对全桥进行反应谱分析 ,计算得到前十阶振型和频率列于
收稿日期 :2009203223 作者简介 :胡荣金 (19812 ) ,男 ,合肥工业大学土木与水利工程学院硕士研究生 ,安徽 合肥 230009
第2 0350
卷 9
第 年
21 7
期 月
胡荣金等
:无背索独塔斜拉桥的动力特性分析
·309 ·
表 1 ,主要的前四阶振型如图 3～图 6 所示 。
结构在多种荷载工况下控制截面的内力见表 2 。
3 反应谱分析结果
表 2 结构在多种荷载工况下控制截面的内力
荷载 位置 轴向力 N kN
方诗圣 (19622 ) ,男 ,博士 ,硕士生导师 ,教授 ,合肥工业大学土木与水利工程学院 ,安徽 合肥 230009
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
文献标识码 :A
1992 年西班牙建成了 Alamillo 桥 ,是世界首创的斜塔无背索 斜拉桥 ,是一个十分大胆 、新颖的工程 。自 Alamillo 桥建成后 ,斜 塔无背索斜拉桥就以其合理的结构 、优美的造型征服了全世界的 桥梁设计师 ,近十几年来 ,这种桥型在全世界范围内方兴未艾 ,在 国内的发展也比较快[1 ] 。
近年来 ,人们对无背索独塔斜拉桥也有一些研究 ,施新欣结 合一座跨径 223. 1 m 的钢筋混凝土组合材料的无背索斜拉桥方 案 ,初步探讨了三座大跨径无背索斜拉桥的动力特性 ,并分析了 斜拉索 、主梁 、桥塔的刚度变化及辅助措施对结构动力性能的影 响[1 ] 。张劲超从影响无背索斜拉桥受力的一些主要因素出发 ,包 括辅助孔和无索区的长度变化 ,主梁 、索塔和斜拉索的刚度变化 , 对无背索斜拉桥进行力学分析 ,总结了无背索斜拉桥的力学共 性[2 ] ;施新欣从无背索斜拉桥经济的角度寻找主要参数的合理比 例 ,在此基础上建立力学解析模型 ,分析无背索斜拉桥的力学参 数对静力性能的影响规律[7 ] 。王碧波从无背索斜拉桥梁塔平衡 的观点出发 ,以平衡受力的特点进行直观的简化分析 ,提出了由 平衡特征决定的一些结构基本特性[3 ] 。Reis AJ 等介绍了西班牙 一座斜塔斜拉桥 Europe Bridge 的结构体系[4 ] 。Shao Xudong 等以 长沙洪山庙无背索斜拉桥为背景 ,分析了该桥的受力[5 ] 。Aboul2 ellaf 等研究了无背索斜拉桥的桥塔受力 。黄国勇以钢筋混凝土 组合材料单塔无背索斜拉桥 ———酒泉卫星发射中心黑河公路大 桥为工程背景 ,应用通用有限元程序对该桥型进行了较为系统的 研究 ,介绍无背索斜塔斜拉桥的自振特性 ,全桥模型在荷载下的 稳定性特征 ,结构几何非线性的影响 ,斜塔倾角对结构的影响 ,体 系温差和局部温差对结构的影响等[8 ] ;陈涛等就单塔无背索预应 力混凝土斜拉桥 ———合肥市铜陵路桥 ,对其建立空间实体模型进 行应力分析 ,通过对该桥空间应力有限元分析 ,再现了大桥成桥 状态下各构件的应力和变形情况[9 ] 。
structural design[J ] . Journal of Constructional Steel Research ,
2004 (60) :3632372. [ 5 ] Shao Xudong ,Peng Wanghu ,Liu Guangdong ,et al. Design and
·308 ·
山 西 建 筑 第 35 卷
2009
第 年
21 7
期 月
SHANXI
ARCHI T EC TU R E
Vol . J ul.
35 No . 2009
21
文章编号 :100926825 (2009) 2120308202
无背索独塔斜拉桥的动力特性分析
4 结语
该桥一阶振型为桥塔的侧弯振型 ,结构基频 1. 47 Hz ;主梁竖 弯振型发生在第二阶 。
反应谱分析结果可以看出轴向力 N 、剪力 Qz 、弯矩 My 主要 是由恒载贡献 ,顺桥向的地震动对弯矩 My 也有一些贡献 , 而剪 力 Qy 、弯矩 M z 主要是由横桥向的地震动产生 。 参考文献 : [ 1 ] 施新欣. 无背索斜塔斜拉桥结构性能研究[ D ] . 上海 :同济大
0 0
扭矩 M x kN·m
0 0 0. 00 0 23. 25 326. 01
弯矩 M y kN·m
1 080. 69 177 780. 85
318. 43 4 471. 67
0 0
弯矩 MBiblioteka Baiduz kN·m
0. 00 1 864. 90
0. 01 0
1 219. 36 808. 24
从该表中可以看出轴向力 N 、剪力 Qz 、弯矩 My 主要是由恒 载贡献 ,顺桥向的地震动对弯矩 My 也有一些贡献 ,而剪力 Qy 、弯 矩 M z 主要是由横桥向的地震动产生 。
© 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net
学 ,2005. [ 2 ] 张劲超. 无背索斜塔斜拉桥的静力性能及合理成桥状态研
究[ D ] . 长沙 :长沙理工大学 ,2004. [ 3 ] 王碧波. 无背索斜塔斜拉桥的结构静力平衡特征探讨 [J ] .
桥梁建设 ,2004 (3) :23226. [ 4 ] Reis AJ ,Pedro JJ O. The Europe Bridge in Portugal2concept and