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        大跨度雙塔雙索面斜拉橋動力響應(yīng)分析

        2018-03-08 07:13:03翁雪峰章新雨
        四川建筑 2018年1期
        關(guān)鍵詞:成橋斜拉橋拉索

        翁雪峰, 章新雨

        (西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院,四川成都 610031)

        [定稿日期]2017-08-29

        斜拉橋是一種由塔、梁、索三種基本構(gòu)件組成的組合橋梁結(jié)構(gòu)體系。作為一種拉索支撐體系,斜拉橋比梁式橋有更大的跨越能力,而在技術(shù)方案合理的跨徑范圍內(nèi),斜拉橋比懸索橋具有更好的經(jīng)濟(jì)性,線條纖秀,構(gòu)造簡潔,橋型優(yōu)美。因此,盡管斜拉橋的出現(xiàn)歷史較晚,但發(fā)展極為迅速,不到半個世紀(jì)就已經(jīng)普及到世界各地。斜拉橋在我國也得到了很多應(yīng)用,關(guān)于斜拉橋的成橋狀態(tài),以及其在自重、車載、地震作用下的結(jié)構(gòu)分析,也受到了更多的關(guān)注[2]。特別是對雙塔雙索面斜拉橋安全運(yùn)營評價還需要進(jìn)一步研究,基于此,文章以某雙塔雙索面斜拉橋?yàn)槔?,利用大型有限元分析軟件ANSYS,完成雙塔三跨斜拉橋模型的建立,并分析其在自重、車輛活載、地震作用下的力學(xué)效應(yīng)。

        1 工程概況

        文章所研究的橋梁為主橋長404 m的雙塔雙索面斜拉橋,跨徑布置為105 m+194 m+105 m,索塔高度50 m,橋面寬度24 m,跨徑布置如圖1所示,主梁截面如圖2所示。

        圖1 跨徑布置示意(單位:m)

        圖2 箱梁截面示意(單位:m)

        該斜拉橋選用雙索面扇形布置形式,且為平行鋼絲體系,其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa。

        2 有限元模型的建立與分析

        2.1 模型參數(shù)

        文章運(yùn)用限元軟件ANSYS建立了三維有限元模型,主梁用空間梁單元Beam4模擬,橋塔用空間變截面梁單元Beam44模擬,斜拉索用空間桿單元Link10模擬,橋上的二期恒載用Mass21來模擬。

        在建模過程中,斜拉橋的橋臺、橋墩與地基之間采用固結(jié)模擬,拉索與主體之間采用剛性約束,斜拉橋的主梁和主塔的連接處用鉸支座模擬。

        該公路斜拉橋建模所采用的單元類型、主要參數(shù)列表及邊界約束條件分別如表1~表3所示。

        表1 單元類型參數(shù)

        表2 材料參數(shù)

        表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸參數(shù)

        注:x為順橋向,y為豎橋向,z為橫橋向。

        建立的三維有限元模型如圖3所示。

        圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型示意

        2.2 荷載效應(yīng)

        (1)該大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn):設(shè)計(jì)汽車荷載等級為公路-I級,設(shè)計(jì)車速為80 km/h。

        (2)恒載效應(yīng)主要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的自重以及二期恒載、拉索張力和預(yù)應(yīng)力荷載。

        (3)地震分析采用動態(tài)時程分析法[3],本文地震波取天津波,利用地震時程相位差及不同地震多量多點(diǎn)輸入模擬地震效果。表4給出部分加速度數(shù)據(jù)[4]。

        表4 部分地震波加速度數(shù)據(jù)

        2.3 荷載形式的影響

        2.3.1 固有頻率計(jì)算

        通過在ANSYS中對該橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行動力特性計(jì)算,可得到模型的固有頻率及振型。表5列出了由ANSYS程序計(jì)算所得該公路斜拉橋成橋狀態(tài)前10階的固有頻率及相應(yīng)的振型特點(diǎn)。

        2.3.2 自重作用下的位移

        通過調(diào)整索力,使全橋在自重作用下符合成橋狀態(tài),并進(jìn)行自重作用下的變形和應(yīng)力分析(圖4、圖5)。

        圖4 自重作用下的變形

        階次頻率/Hz振型特點(diǎn)10.39430主梁一階豎向正對稱彎曲20.60604主梁一階橫向反對稱彎曲30.76232主梁一階豎向反對稱彎曲40.76237右塔橫向彎曲50.76986左塔橫向彎曲60.83702主梁二階豎向反對稱彎曲、整體縱向彎曲70.87002主梁二階豎向正對稱彎曲80.96386主梁一階扭轉(zhuǎn)正對稱彎曲91.0110主梁一階扭轉(zhuǎn)反對稱彎曲101.1249整體縱向彎曲

        圖5 自重作用下的應(yīng)力分布

        從圖4、圖5可以看出,自重作用下,豎向最大變形為0.0729 m,發(fā)生在跨中。最大應(yīng)力為0.68 MPa,發(fā)生在跨中截面處,滿足混凝土主梁最大豎向撓度不應(yīng)大于L/500。斜拉橋的跨中撓度為正值,說明主梁在自重、二期恒戴作用下,梁體同時受到拉索索力、預(yù)應(yīng)力共同作用,使得梁體跨中上拱,說明該斜拉橋在成橋時,具有一定的上拱度,這與該橋?qū)嶋H情況相符[5]。

        2.3.3 移動荷載作用下的瞬態(tài)動力特性

        車輛在橋上運(yùn)行時會造成橋梁振動,同時橋梁對車輛也有作用[5]。當(dāng)車輛以80 km/h運(yùn)行時,主梁跨中振動變化如圖6、圖7所示。

        圖6 移動荷載作用下跨中撓度時程曲線

        圖7 移動荷載作用下跨中撓度速度時程曲線

        當(dāng)車輛在橋上運(yùn)行時,跨中截面的撓度不斷的發(fā)生著變化,當(dāng)運(yùn)行至跨中時,豎向撓度達(dá)到最大,在成橋的基礎(chǔ)上,下降了0.005 m。

        2.3.4 地震作用下主梁振動變化

        該地區(qū)地震波取天津波,以加速度的模擬方式輸入,跨中截面與塔頂?shù)恼駝忧闆r如圖8~圖11所示。

        圖8 地震作用下跨中截面豎向的振動時程曲線

        圖9 地震作用下跨中截面縱橋向的振動時程曲線

        由圖8~圖11可以看出,地震波的作用下,主梁跨中截面縱橋向振動不激烈,但主梁跨中截面豎向發(fā)生劇烈振動,最大振動2.186 m,橋面已經(jīng)損壞。對橋塔頂部,橫橋向振動不激烈,但縱橋向劇烈振動,最大振動0.875 m。

        3 結(jié)論

        (1)計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn),主梁在自重、二期恒載、拉索索力、預(yù)應(yīng)力共同作用,梁體跨中上拱,在成橋時,具有一定的上拱度。

        (2)當(dāng)有汽車荷載作用在橋上,二者會發(fā)生耦合作用,當(dāng)行車至中跨跨中時,震動最強(qiáng),造成的豎向撓度最大。當(dāng)列車運(yùn)行至中跨跨中時,造成的震動最為激烈。

        圖10 地震作用下塔頂縱橋向的振動時程曲線

        圖11 地震作用下塔頂橫橋向的振動時程曲線

        (3)斜拉橋是拉索支撐體系,當(dāng)發(fā)生地震時,塔頂和主梁會發(fā)生劇烈振動,使拉索斷裂或者拉索索力失效,從而造成主梁或主塔的斷裂。

        (4)我國西南地區(qū)屬于地震多發(fā)地帶,在車輛荷載、風(fēng)荷載的共時作用下,帶來的破壞更大,所以設(shè)計(jì)時對大跨徑的斜拉橋進(jìn)行必要的抗震等動力響應(yīng)分析是非常必要的。

        [1] 陳秉玲. 國內(nèi)外大跨徑橋梁發(fā)展概況[J]. 城市道橋與防洪,1997(2):33-40.

        [2] 范立礎(chǔ). 橋梁工程:上冊[M].北京:人民交通出版社,2001

        [3] 劉豐. 大跨度橋梁抗震分析中的有限元方法[J]. 中國科技信息, 2007(19):46-47.

        [4] 周建春, 劉光棟. 大跨度公路橋梁抗震分析研究[J]. 橋梁建設(shè),1998(1):5-9.

        [5] 李小珍,蔡婧,強(qiáng)士中. 蕪湖長江大橋斜拉橋的車橋耦合振動分析[J]. 鐵道學(xué)報,2001,23(2):70-75.

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