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某双塔斜拉桥动力特性分析
2018-04-23 
   1 引言

   现代斜拉桥自20世纪60年代传入我国后蓬勃发展,并在90年代后出现了新的发展高潮,跨径日益增大,与此同时,斜拉桥的理论方法和实践得到了迅速发展,在进入21世纪以来,斜拉桥在我国更是得到了大量地建造。对于此类大跨结构,风、地震、波浪等复杂环境下的结构反应往往成为问题的关键,有时甚至控制着结构的设计。众所周知,结构动力反应与其自振特性密切相关,因此有必要对结构的振型与频率进行研究,以便正确把握其在动力作用下的反应。

   2 工程概况及有限元模型

   本文针对某双塔双索面斜拉桥(设计方案),借助midas Civil软件建立了全桥空间有限元分析模型,如图1所示。该桥全长840m,跨径布置为190m+460m+190m,桥面宽26m,主梁为实体双主梁截面,采用矩形肋梁。横梁间距为4m,厚度为0.25m。桥塔在顺桥向呈单柱型,在横桥向呈梯形,塔高145.3m,采用箱形薄壁断面。塔、梁固结,在桥墩上设置限位支座。该桥跨径为190m+460m+190m,采用主梁、桥塔、桥墩三者互为固结的刚构体系,索距8m,采用扇形索面,全桥共230根斜拉索。根据全桥结构的总体布置和构造特点,加劲梁采用双主梁模式,加劲梁、横梁、桥塔和桥墩采用梁单元模拟,拉索采用桁架单元模拟,横隔板、桥面铺装等附加质量采用节点质量来模拟。

   3 结构动力特性分析

   忽略阻尼的影响,结构自由振动的运动方程可表示为

   (1)

   对应的特征方程为

   det([K]- ω2[M])={0}(2)

   其中,[M]、[K]分别为结构体系的质量和刚度矩阵,{u(t)}、 分别为体系各节点的位移向量和加速度向量,ω为圆频率。在考虑结构初始平衡状态的基础上,采用Lanczos法对(2)式进行求解,可得结构各阶自振频率和振型向量。表1给出了结构前15阶振型频率和振型特征,各阶振型图如图2所示。

   从分析结果可以看出,结构前9阶振型主要为表现为主梁的竖向和横向弯曲,而没有出现桥塔的弯曲振型,说明了主梁较柔的特点而桥塔具有较大的弯曲刚度;第5阶为主梁的一阶扭转振型,表明主梁抗扭刚度较小,这也与该桥采用竖向索面布置有关。在第10阶振型之后,陆续出现了桥塔的弯曲振型,其中以上塔柱的侧弯较早,个别振型还伴随着主梁的弯曲,说明在地震作用下当高阶振型被激起时,将可能出现桥塔与主梁的耦合振动。

   4 结论

   本文针对某双塔双索面斜拉桥,基于midas Civil有限元程序对结构建立空间有限元模型,在考虑初始恒载影响的基础上对结构的动力特性进行了分析,结论如下:

   (1)结构的基频为0.4711Hz,大于一般的梁桥,说明该桥的整体刚度较小,表现出了良好的柔性;

   (2)主梁竖向弯曲振型出现较早,而桥塔的弯曲振型则出现较晚,并且在较高的阵型中主梁的竖弯伴随着桥塔的纵向弯曲,在地震作用下当此类振型被激起时,将会出现桥塔与主梁的耦合振动,使结构的受力状态变得更为复杂;

   (3)主梁的扭转振型出现相对较早,说明采用的桥面较宽的实体双肋梁截面的抗扭刚度不太理想,应考虑采用抗扭性能更好的截面;

   (4)主塔的横向弯曲振型出现的较晚,说明主塔横向刚度足够大,但上塔柱的侧向刚度则应予以相应地提高;

   (5)在第14阶振型中,出现主梁的横弯及扭转相互耦合的振型,在风荷载的作用下,将有可能诱发主梁的弯、扭耦合现象,危及结构的抗风稳定性,应予以重视。

   
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