某雙塔斜拉橋動力特性分析
2018-04-23
1 引言
現(xiàn)代斜拉橋自20世紀60年代傳入我國后蓬勃發(fā)展，并在90年代后出現(xiàn)了新的發(fā)展高潮，跨徑日益增大，與此同時，斜拉橋的理論方法和實踐得到了迅速發(fā)展，在進入21世紀以來，斜拉橋在我國更是得到了大量地建造。對于此類大跨結(jié)構(gòu)，風(fēng)、地震、波浪等復(fù)雜環(huán)境下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)往往成為問題的關(guān)鍵，有時甚至控制著結(jié)構(gòu)的設(shè)計。眾所周知，結(jié)構(gòu)動力反應(yīng)與其自振特性密切相關(guān)，因此有必要對結(jié)構(gòu)的振型與頻率進行研究，以便正確把握其在動力作用下的反應(yīng)。
2 工程概況及有限元模型
本文針對某雙塔雙索面斜拉橋（設(shè)計方案），借助midas Civil軟件建立了全橋空間有限元分析模型，如圖1所示。該橋全長840m，跨徑布置為190m+460m+190m，橋面寬26m，主梁為實體雙主梁截面，采用矩形肋梁。橫梁間距為4m，厚度為0.25m。橋塔在順橋向呈單柱型，在橫橋向呈梯形，塔高145.3m，采用箱形薄壁斷面。塔、梁固結(jié)，在橋墩上設(shè)置限位支座。該橋跨徑為190m+460m+190m，采用主梁、橋塔、橋墩三者互為固結(jié)的剛構(gòu)體系，索距8m，采用扇形索面，全橋共230根斜拉索。根據(jù)全橋結(jié)構(gòu)的總體布置和構(gòu)造特點，加勁梁采用雙主梁模式，加勁梁、橫梁、橋塔和橋墩采用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，橫隔板、橋面鋪裝等附加質(zhì)量采用節(jié)點質(zhì)量來模擬。
3 結(jié)構(gòu)動力特性分析
忽略阻尼的影響，結(jié)構(gòu)自由振動的運動方程可表示為
?。?）
對應(yīng)的特征方程為
det([K]- ω2[M])={0}（2）
其中，[M]、[K]分別為結(jié)構(gòu)體系的質(zhì)量和剛度矩陣，{u(t)}、 分別為體系各節(jié)點的位移向量和加速度向量，ω為圓頻率。在考慮結(jié)構(gòu)初始平衡狀態(tài)的基礎(chǔ)上，采用Lanczos法對（2）式進行求解，可得結(jié)構(gòu)各階自振頻率和振型向量。表1給出了結(jié)構(gòu)前15階振型頻率和振型特征，各階振型圖如圖2所示。
從分析結(jié)果可以看出，結(jié)構(gòu)前9階振型主要為表現(xiàn)為主梁的豎向和橫向彎曲，而沒有出現(xiàn)橋塔的彎曲振型，說明了主梁較柔的特點而橋塔具有較大的彎曲剛度；第5階為主梁的一階扭轉(zhuǎn)振型，表明主梁抗扭剛度較小，這也與該橋采用豎向索面布置有關(guān)。在第10階振型之后，陸續(xù)出現(xiàn)了橋塔的彎曲振型，其中以上塔柱的側(cè)彎較早，個別振型還伴隨著主梁的彎曲，說明在地震作用下當高階振型被激起時，將可能出現(xiàn)橋塔與主梁的耦合振動。
4 結(jié)論
本文針對某雙塔雙索面斜拉橋，基于midas Civil有限元程序?qū)Y(jié)構(gòu)建立空間有限元模型，在考慮初始恒載影響的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)的動力特性進行了分析，結(jié)論如下：
?。?）結(jié)構(gòu)的基頻為0.4711Hz，大于一般的梁橋，說明該橋的整體剛度較小，表現(xiàn)出了良好的柔性；
?。?）主梁豎向彎曲振型出現(xiàn)較早，而橋塔的彎曲振型則出現(xiàn)較晚，并且在較高的陣型中主梁的豎彎伴隨著橋塔的縱向彎曲，在地震作用下當此類振型被激起時，將會出現(xiàn)橋塔與主梁的耦合振動，使結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)變得更為復(fù)雜；
（3）主梁的扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)相對較早，說明采用的橋面較寬的實體雙肋梁截面的抗扭剛度不太理想，應(yīng)考慮采用抗扭性能更好的截面；
?。?）主塔的橫向彎曲振型出現(xiàn)的較晚，說明主塔橫向剛度足夠大，但上塔柱的側(cè)向剛度則應(yīng)予以相應(yīng)地提高；
?。?）在第14階振型中，出現(xiàn)主梁的橫彎及扭轉(zhuǎn)相互耦合的振型，在風(fēng)荷載的作用下，將有可能誘發(fā)主梁的彎、扭耦合現(xiàn)象，危及結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性，應(yīng)予以重視。
