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        超高異形橋塔及支架自振特性研究

        2020-02-25 02:28:26王建兵趙陽王瑞康曾平
        鐵路技術(shù)創(chuàng)新 2020年6期
        關(guān)鍵詞:橋塔異形二階

        王建兵,趙陽,王瑞康,曾平

        (北京鐵辰工程監(jiān)理有限公司 工程管理部,北京 100084)

        0 引言

        隨著橋梁建設(shè)的快速發(fā)展,橋梁工程中出現(xiàn)了越來越多的異形橋塔。異形橋塔在外觀上滿足了人們對美的追求,但其受力復(fù)雜,給施工帶來了極大挑戰(zhàn)。因此,必須對施工過程中異形橋塔和臨時(shí)支架進(jìn)行研究[1-2]。孫立軍等[3]采用ANSYS軟件建立異形塔和支架的有限元模型,分別對懸臂拼裝法和支架法施工時(shí)塔的應(yīng)力及線形進(jìn)行了分析。衛(wèi)軍等[4]采用ANSYS軟件模擬橋塔施工全過程,分析臨時(shí)橫撐和塔柱的位移與應(yīng)力。黎世勇等[5]從結(jié)構(gòu)性能構(gòu)造上,對異形塔柱進(jìn)行了力學(xué)性能分析,并對主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。不同異形橋塔具有不同外形和受力情況,因此,現(xiàn)有的研究均是針對某一具體工程進(jìn)行研究[6]。超高異形橋塔無法參考已有研究進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工控制,因此應(yīng)對其進(jìn)行專項(xiàng)研究分析。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在各種動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力響應(yīng)均由結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定,所以在進(jìn)行動(dòng)力分析之前,應(yīng)先對其進(jìn)行模態(tài)分析。在此以某超高異形橋塔為例,分析橋塔和臨時(shí)支架的自振特性。

        1 工程概況

        某橋塔的外形為傾斜的拱形結(jié)構(gòu),橋面以上垂直塔高約73.4 m,整塔傾斜角度約為69°,單側(cè)塔柱傾斜角度為南塔約77°、北塔約61°。橋塔根部設(shè)有拱形門洞供人行步道及機(jī)動(dòng)車通過。橋塔迎車面的拉索部分設(shè)凹槽,減小截面過大帶來的外觀影響。

        1.1 施工重難點(diǎn)

        (1)超高:橋塔高73.4 m,全鋼結(jié)構(gòu),總用鋼量超過5 770 t;

        (2)異形:整個(gè)橋塔沒有對稱軸和對稱面,施工過程荷載、變形均存在不對稱性;

        (3)要求高:施工質(zhì)量要求高,控制嚴(yán),橋塔施工線形誤差不超過H/4 000,是正常施工外觀要求L/400的10倍。

        1.2 施工方案

        針對施工中的重難點(diǎn),確定該橋塔的臨時(shí)支架方案如下:

        (1)支架選材:臨時(shí)支架均采用Q345 直縫埋弧焊鋼管,超高異形橋塔施工臨時(shí)支架采用格構(gòu)柱式鋼支架,格構(gòu)柱的節(jié)間高度約800 cm,立柱間距200~700 cm。支架立柱鋼管采用φ810-12 mm 的鋼管。格構(gòu)柱的綴條(剪刀撐)均采用φ530-10 mm 鋼管。支架鋼管立柱通過橫撐和斜撐連接為一個(gè)整體,形成雙層網(wǎng)殼。立柱之間采用法蘭盤高強(qiáng)螺栓連接,立柱與基礎(chǔ)采用Q235 地腳錨栓連接,立柱與剪刀撐采用相貫焊接。

        (2)支架布置:整個(gè)支架共設(shè)置9排鋼管立柱,立柱支點(diǎn)為對應(yīng)節(jié)段頂面下口向下約150 cm 的位置(見圖1)。支架設(shè)計(jì)總用鋼量約為576 t(見表1、表2)。

        圖1 橋塔支架的示意圖

        表1 橋塔支架橫/斜撐材料用量

        表2 橋塔支架立柱材料用量

        2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

        在進(jìn)行內(nèi)力分析前,必須先對模型的動(dòng)力特性進(jìn)行分析,以便對模型的可靠性做定性分析。

        2.1 模型建立

        橋塔模型由南北塔肢各10 個(gè)節(jié)段和中間1 個(gè)合龍段組成,在南北塔肢底部的前5個(gè)節(jié)段的截面尺寸和剛度均較大,而節(jié)段長度較短,因此,為方便建模,在分析模型中,分別將南北塔肢的前5 個(gè)節(jié)段合成一1 個(gè)節(jié)段建立模型,并將橋塔合龍段分成南北2段。這樣劃分節(jié)段后,在ANSYS 分析模型中,南北塔肢各有7 個(gè)節(jié)段。橋塔采用beam4單元模擬,塔的形狀根據(jù)不同節(jié)段剖面形狀求得截面參數(shù),橋塔有限元模型南北肢的第6、7 節(jié)段各劃分為10 個(gè)單元,其他每個(gè)節(jié)段均劃分為5 個(gè)單元,橋塔有限元模型共劃分為90 個(gè)單元。支架采用beam188 單元模擬,每個(gè)節(jié)間劃分為5 個(gè)單元,支架有限元模型由2 802個(gè)單元組成。

        在分析模型中,橋塔底部采用固結(jié)方式模擬,支架立柱底部與基礎(chǔ)也采用固結(jié)的連接方式,支架頂部與橋塔連接處采用鉸接方式,只約束Y 向平動(dòng)自由度,釋放Z 向和X 向平動(dòng)自由度及三向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,結(jié)構(gòu)ANSYS 模型見圖2。

        2.2 模態(tài)分析

        對橋塔進(jìn)行模態(tài)分析,分析結(jié)果見圖3—圖7??梢姡簶蛩?階振型為縱向振動(dòng),頻率為1.47 Hz;2階振型為豎向扭轉(zhuǎn)振動(dòng),頻率為3.06 Hz;3階振型為橫向振動(dòng),頻率為3.18 Hz;4階振型為縱向二階振動(dòng),頻率為5.23 Hz;5階振型為橫向?qū)ΨQ振動(dòng),頻率為6.28 Hz。

        圖2 橋塔-支架有限元模型

        2.3 支架模態(tài)分析

        圖3 橋塔的1階振型

        圖4 橋塔的2階振型

        圖5 橋塔的3階振型

        圖6 橋塔的4階振型

        圖7 橋塔的5階振型

        在ANSYS 分析模型中,支架立柱底部與基礎(chǔ)采用固結(jié)的連接方式,支架頂部自由。橋塔支架的前5 階振型及頻率見圖8—圖12??梢姡? 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 排為主的整體縱向振動(dòng),頻率為1.11 Hz;2 階振型為以ATN7、ATN8、ATN9 排為主的整體縱向振動(dòng),頻率為1.99 Hz;3 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10、HLD 為主的二階縱向振動(dòng),頻率為2.83 Hz;4 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 為主的二階縱向振動(dòng)和以ATN9、ATN10 為主的二階橫向振動(dòng),頻率為3.65 Hz;5 階振型為以ATS9、ATS10和ATN8、HLD、ATN9 為主的三階橫向振動(dòng),頻率為3.90 Hz。

        2.4 橋塔+支架模態(tài)分析

        圖8 支架的1階振型

        圖9 支架的2階振型

        圖10 支架的3階振型

        圖11 支架的4階振型

        圖12 支架的5階振型

        在ANSYS 分析模型中,橋塔底部采用固結(jié)方式,支架立柱底部與基礎(chǔ)也采用固結(jié)連接方式,支架頂部與橋塔連接處采用鉸接方式,只約束Y 向平動(dòng)自由度,釋放Z 向和X 向平動(dòng)自由度及三向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。橋塔+支架的前5 階振型及頻率見圖13—圖17??梢姡? 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 為主的一階縱向振動(dòng),頻率為1.29 Hz;2 階振型為以ATN8、ATN9 和ATS8、ATS9 為主的二階縱向振動(dòng),頻率為2.05 Hz;3階振型為以ATN8、ATN9、ATN10為主的二階橫向振動(dòng),頻率為2.48 Hz;4階振型為橋塔的一階橫向振動(dòng),頻率為2.88 Hz;5 階振型為以ATN8、ATN9、ATN10、HLD 為主的三階縱向振動(dòng),頻率為3.15 Hz。

        圖13 橋塔+支架的1階振型

        圖14 橋塔+支架的2階振型

        圖15 橋塔+支架的3階振型

        圖16 橋塔+支架的4階振型

        圖17 橋塔+支架的5階振型

        3 結(jié)論

        以某超高異形橋塔為例,利用有限元軟件ANSYS對橋塔和臨時(shí)支架進(jìn)行模態(tài)分析,分別列出橋塔、支架及橋塔+支架的前5 階振型及頻率,得到以下主要結(jié)論:

        (1)橋塔的1 階振型為縱向振動(dòng),2 階振型為豎向扭轉(zhuǎn)振動(dòng),3 階振型為橫向振動(dòng),4 階振型為縱向二階振動(dòng),5 階振型為橫向?qū)ΨQ振動(dòng)。橋塔的前5 階振型中出現(xiàn)了豎向扭轉(zhuǎn),應(yīng)予以重視。

        (2)支架的1 階振型為縱向振動(dòng),2 階振型為縱向振動(dòng),3 階振型為二階縱向振動(dòng),4 階振型為二階縱向振動(dòng)和二階橫向振動(dòng)的組合,5 階振型為三階橫向振動(dòng)。

        (3)橋塔+支架的1 階振型為一階縱向振動(dòng),2 階振型為二階縱向振動(dòng),3 階振型為二階橫向振動(dòng),4 階振型為一階橫向振動(dòng),5階振型為三階縱向振動(dòng)。

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