馬霈源 張猛
摘要 以某公路大橋?yàn)楣こ瘫尘?,分析橋墩設(shè)計(jì)參數(shù)變化對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特征的影響。以橋墩的高度和對(duì)稱(chēng)性為變量,分別進(jìn)行對(duì)稱(chēng)橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋和不對(duì)稱(chēng)橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性計(jì)算。計(jì)算結(jié)果表明:橋墩高度的變化對(duì)于結(jié)構(gòu)一階縱漂頻率有較為明顯的影響;對(duì)于橋墩高度不對(duì)稱(chēng)的連續(xù)剛構(gòu)橋,為使結(jié)構(gòu)順橋梁振動(dòng)相對(duì)均衡,矮墩與高墩間的高度差不應(yīng)過(guò)大。
關(guān)鍵詞 橋墩;連續(xù)剛構(gòu)橋;動(dòng)力特性;一階頻率
中圖分類(lèi)號(hào) U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949(2022)10-0132-03
0 引言
高墩連續(xù)剛構(gòu)橋順橋向抗推剛度小是比較突出的優(yōu)點(diǎn)[1],下部結(jié)構(gòu)較柔可以大大減小上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力,從而減小溫度變化、混凝土收縮、徐變以及地震等對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響[2],同時(shí)又有施工方便的優(yōu)點(diǎn)。因此,在山區(qū)高速公路修建中,成為了被廣泛推薦的橋型之一[3]。橋梁的動(dòng)力特性與結(jié)構(gòu)抗震性和抗風(fēng)振性有密切關(guān)系[4],該文以某山區(qū)橋梁為工程背景,深入研究了當(dāng)橋墩高度參數(shù)變化時(shí),對(duì)稱(chēng)連續(xù)剛構(gòu)橋和不對(duì)稱(chēng)連續(xù)剛構(gòu)橋橋梁動(dòng)力特性變化的相關(guān)性。
1 工程概況
某山區(qū)高等級(jí)道路,跨越峽谷時(shí),采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋接兩邊山坡的結(jié)構(gòu)形式,橋梁跨徑布置為(65+110+65)m,主梁設(shè)計(jì)為單箱單室截面,橋面三車(chē)道布置,箱梁面板總寬12 m,底板總寬6.5 m。根部高跨比為1∶16.4,梁高為6.7 m;現(xiàn)澆段高跨比為1∶22.4,梁高為2.9 m,底板下緣變化曲線為二次拋物線。左右側(cè)橋墩均為矩形實(shí)體墩,左側(cè)墩較矮,高度為15 m;右側(cè)墩較高,高度為32 m,橋墩橫截面尺寸為:橫橋向6.5 m×順橋向3.5 m。箱梁混凝土強(qiáng)度采用高標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),標(biāo)號(hào)為C55,橋墩和基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為C40。
2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析
2.1 計(jì)算理論
根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論,多自由度結(jié)構(gòu)的線性動(dòng)力有限元控制方程:
2.2 動(dòng)力特性分析
建模時(shí)對(duì)該橋進(jìn)行了一定的簡(jiǎn)化,既不考慮樁-土的相互作用,也不考慮動(dòng)水壓力對(duì)橋墩的影響,采用一般梁?jiǎn)卧⑷S空間有限元模型。
2.2.1 橋墩參數(shù)變化對(duì)對(duì)稱(chēng)橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性的影響
首先分析對(duì)稱(chēng)橋墩高度依次減小對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性的影響。依據(jù)設(shè)計(jì)建立Midas/Civil有限元模型,兩墩高度均為100 m,之后以5 m梯度遞減,最終墩高10 m,如圖1,計(jì)算不同工況下橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。
對(duì)稱(chēng)橋墩高度以5 m為梯度從100 m降到10 m,計(jì)算得到橋梁三個(gè)方向(縱漂、橫彎、豎彎)的一階頻率,表1列出了部分高度計(jì)算結(jié)果。從圖2三個(gè)方向一階頻率的變化趨勢(shì),可以看出:
(1)橋梁的一階縱漂頻率隨著橋墩高度從高(100 m)到低(10 m),有明顯的增加,特別是在45 m到10 m變化過(guò)程中,頻率增加趨勢(shì)更加顯著。主要是由于隨著橋墩高度從高到低,橋墩順橋向的整體剛度急劇增大所致。
(2)橋梁的橫彎一階頻率隨著橋墩高度從高(100 m)到低(10 m)逐漸增大,但增加的幅度相對(duì)縱漂頻率較小,且當(dāng)橋墩高度小于30 m后,才出現(xiàn)較大增加趨勢(shì),這是因?yàn)橹髁旱臋M彎一階頻率主要是由橋墩橫橋向的剛度決定。
(3)隨著橋墩從高到低,橋梁的豎向一階頻率變化幅度相對(duì)較小。另外,隨著橋墩從高到低,由于順橋向的剛度增加較明顯,順橋向約束變大,當(dāng)橋墩高度小于25 m后,將不再出現(xiàn)較為明顯的縱漂振型。此外,隨著橋墩從高到低,主梁一階豎向彎曲振動(dòng)將于順橋向的彎曲振動(dòng)發(fā)生耦合。
2.2.2 橋墩參數(shù)變化對(duì)不對(duì)稱(chēng)橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性的影響
首先保持右側(cè)橋墩100 m的高度不變,左側(cè)橋墩以5 m為梯度從100 m逐漸減小到10 m(圖3上),并研究不同橋墩高度橋梁的自振特性。然后再保持左墩墩高為10 m的高度不變,以5 m為梯度,依次減小右墩的高度,直至減小到15 m(圖3下),并計(jì)算每種情況下模型的自振特性。對(duì)比分析橋墩參數(shù)對(duì)不對(duì)稱(chēng)連續(xù)剛構(gòu)橋動(dòng)力特性的影響。
以右橋墩100 m為基礎(chǔ),左橋墩高度以5 m為梯度從100 m降到10 m過(guò)程中,連續(xù)剛構(gòu)橋的一階振動(dòng)頻率,表2列出了部分高度計(jì)算結(jié)果。
從圖4左可以看出:(1)主梁的一階縱漂頻率隨左橋墩從高(100 m)到低(10 m),增加的趨勢(shì)較為明顯,特別是當(dāng)左橋墩小于35 m之后,一階縱漂頻率隨橋墩變矮急劇增加。這主要是由于隨著橋墩高度從高到低變化,順橋向的剛度急劇增大所致。
(2)在左橋墩從高(100 m)到低(10 m)變化過(guò)程中,橋梁的橫彎一階頻率逐漸增大,但增加的幅度相對(duì)主梁縱漂較小,這是因?yàn)橹髁旱臋M彎振動(dòng)主要是由橋梁橫橋向的剛度決定。
(3)橋梁豎彎一階頻率變化相對(duì)較小,并且,隨著左橋墩從高(100 m)到低(10 m),由于順橋向的剛度增加比較明顯,順橋向約束變大,當(dāng)左橋墩高度小于15 m后,將不再出現(xiàn)較為明顯的縱漂振型。另外,隨著左橋墩高度從高到低,主梁豎彎的一階頻率將于主梁順橋向的彎曲振型發(fā)生耦合。
左橋墩10 m為基礎(chǔ),右橋墩高度以5 m為梯度,從100 m降到15 m,計(jì)算得出不同橋墩高度狀態(tài)下主橋的一階橫彎和一階豎彎頻率,表3列出了部分高度計(jì)算結(jié)果。
由圖4右可以看出:(1)左墩保持10 m高度不變,隨著右橋墩從高(100 m)到低(10 m),特別是小于30 m之后,橋梁的一階橫彎頻率有很大增加,這是由于右橋墩高度小于30 m后,對(duì)主梁橫橋向位移約束能力迅速變強(qiáng),導(dǎo)致一階橫彎頻率大幅增加。
(2)當(dāng)左橋墩維持10 m不變時(shí),主梁的豎彎一階頻率隨著右橋墩從高(100 m)到低(10 m)也有所增加,但整體增加幅度較小,這由于橋梁豎向剛度主要與主梁剛度有關(guān)的緣故。
3 結(jié)語(yǔ)
(1)當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩對(duì)稱(chēng)時(shí),隨著橋墩高度的減小,結(jié)構(gòu)的縱漂一階頻率增加幅度相對(duì)較大,這是由于結(jié)構(gòu)的一階縱漂頻率主要由橋墩的順橋向剛度決定。
(2)當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩不對(duì)稱(chēng)時(shí),在下部橋墩整體剛度相對(duì)較柔時(shí),隨著一側(cè)橋墩的高度逐漸減小,結(jié)構(gòu)的縱漂一階頻率變化幅度相對(duì)較大。當(dāng)結(jié)構(gòu)順橋向振動(dòng)時(shí),為使振動(dòng)影響分配相對(duì)均衡,建議矮墩高度不小于高墩的1/3,并且應(yīng)保證橋墩順橋向具有一定的柔性,共同分擔(dān)順橋向振動(dòng)。
(3)當(dāng)連續(xù)剛構(gòu)橋不對(duì)稱(chēng)時(shí),并且其中一側(cè)橋墩為矮墩,另一側(cè)高墩從高到低變化過(guò)程中,對(duì)結(jié)構(gòu)的橫彎一階頻率影響相對(duì)較小,但在減小到一定高度后,橫彎一階頻率迅速增加,這是由于連續(xù)剛構(gòu)橋下部橋墩的橫向剛度直接決定結(jié)構(gòu)的一階橫彎頻率。
(4)對(duì)稱(chēng)橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋和不對(duì)稱(chēng)橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋橋墩的變化對(duì)主梁豎彎一階頻率影響都相對(duì)較小,即對(duì)主梁的豎向振動(dòng)頻率影響相對(duì)較小。
參考文獻(xiàn)
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