高墩薄壁连续梁桥动态自振特性分析

摘要:文章以省道S318线西张村大桥为工程实例,根据该桥的结构特点,采用有限元程序Midas/Civil对该桥进行模拟计算,建立了该桥梁的空间有限元计算模型,对西张村大桥进行了动态特性、地震时程响应以及施工阶段稳定性计算,为了确保桥梁在建造过程中的安全和成桥后的抗震性能,对这类高墩薄壁连续梁桥的稳定性和抗震性能进行研究具有重要的工程意义和实用价值。

关键词:高墩薄壁连续梁桥;动态特性;抗震性能;稳定性

中图分类号:U446文献标识码:A

文章编号:1674-1145(2009)21-0133-02

省道S318线石原至三门峡西站段改建工程是连接石原与三门峡的省道区域联络线,对改善河南省西部地区的交通状态,完善河南省交通网络,促进当地经济发展具有十分重要的作用。西张村大桥位于省道S318线石原至三门峡西站段改建工程东段,其中最高墩高度为83m是全线公路工程施工难度最大的重点工程,并且桥址处于地震多发地带,由于该桥桥墩较高,建设技术含量高,施工建造技术复杂,为了保证桥梁在施工中和成桥运营阶段的安全性,对西张村大桥进行稳定性和抗震性能研究非常重要。

一、西张村大桥动态性能分析

(一)桥梁概况

省道S318线石原至三门峡西站段改建工程,是连接石原与三门峡的省道区域联络线,对改善河南省西部地区的交通状态,完善河南省交通网络,促进当地经济发展具有十分重要的作用。西张村大桥位于省道S318线石原至三门峡西站段改建工程东段,大桥采用50m简支连续T梁和25m简支连续箱梁,其跨径组合为(3×5+4×5)m连续T梁和(4×25)m连续箱梁,全桥长457m。桥梁终点部分位于R=300m,Ls=40m,A=109.545,倾角α=40°30,45"(Z)的平曲线上。由于桥区地貌单元为中低山河谷地,水文地质单元为中低山河谷型孔隙、孔隙潜水区,该桥跨越的南北地沟沟深坡陡,其中1~6号桥墩采用矩形空心薄壁墩,净高分别为57m、68.5m、76m、83m、63m以及43m,其中4墩净高83m,为河南省公路建设历史上的第1高墩。

设计荷载:公路—Ⅰ级;

桥梁宽度:全宽12.0m=1.0(人行道)+净宽10.0m(行车道)+1.0(人行道)m;

跨径组成:(3×50+4×50)m的连续T梁+(4×25)m连续箱梁;

环境类别:Ⅰ类;

结构重要性系数:1.1;

设计风速及风压:36.5 m/s,风压0.51kN/m2;

(二)西张村大桥主桥有限元建模

西张村大桥主梁为预应力混凝土连续T梁,横截面由5个小T梁组成,各个T梁之间采用现浇湿接缝连接,横梁采用矩形截面,截面的厚度为20cm。本文采用有限元程序Midas/Civil建模,T梁和横梁均采用梁单元来模拟,梁单元的每个节点有6个自由度,包括3个平动自由度和3个转动自由度,该单元形式具有拉、压、扭转以及弯曲能力;T梁之间的湿接缝用板单元来模拟,板单元的每个节点有3个平动自由度和2个转动自由度,该单元形式具有弯曲及薄膜特性;由于桥墩是变截面的,所以采用变截面梁单元进行模拟。全桥计算模型共计划分3518个节点,3061个单元,桥梁有限元计算模型分别如图1-1所示。

空间计算模型各个单元截面形式及尺寸均按照桥梁设计图纸确定,计算模型中单元材料特性值按照桥梁有关设计规范规定选取。

桥梁计算模型的空间坐标系方向规定如下:纵桥向为x轴(x轴向右为正方向),横桥向为y轴(y轴向里为正方向),竖向为z轴(z轴向上为正方向)。边界条件设置为,在桥梁的T梁搭设阶段,在每跨形成简支梁桥结构,每片T梁和桥墩的连接先采用刚性连接,然后在每片T梁的一端释放绕y轴的转动roty、绕z轴的转动rotz,同时在另一端释放沿纵向的位移ux、沿横向的位移uy、绕y轴的转动roty、绕z轴的转动rotz。随着桥梁进行先简支后连续施工,在桥梁体系转换后,桥梁上部结构与桥墩的连接发生了相应的变化,桥墩与上部结构的连接均先采用刚性连接,由于3号墩为制动墩,3号墩与上部结构的连接仅释放绕y轴的转动roty,其余桥墩释放沿纵向的位移ux、沿横向的位移uy、绕y轴的转动roty以及绕z轴的转动rotz。每个桥墩底部为固结,在承台处约束6个方向的自由度。

(三)西张村大桥动态特性分析

采用有限元程序MIDAS/Civil对西张村大桥的自振特性进行计算,运用子空间迭代法求解桥梁的空间自振特性,迭代次数设定为30次,收敛误差设为1e-10,该方法适用于大型对称结构的特征值求解,所得结果较精确。结构动力分析中对应于振型的有效质量总和(即振型参与质量)要占总质量的90%以上,故为了保证计算精度,满足振型在各个方向的参与质量之和达到要求,对该桥梁共计算了50阶振动频率和振型,详细计算结果见表1:

二、结论

文章分析西张村大桥的动态特性可以得出以下结论:1.西张村大桥的低阶振型以桥面系与桥墩的横向、竖向振动为主,横向振动先于竖向振动出现,桥墩的纵向振型仅在第14阶出现,桥面系扭转振型仅在第15阶出现,说明该桥的整体横向刚度最小,整体竖向刚度次之,墩的纵向刚度和桥面系的整体抗扭刚度均较大,桥梁最易发生横向振动形式;2.桥面系的扭转振型出现在第15阶,说明桥面系的扭转刚度比较大,主要原因是5根T梁与横隔板及现浇湿接缝形成了整体桥面梁格体系,为桥面结构提供了较大的扭转刚度。

参考文献

[1]周锡元,阎维明,杨润林.建筑结构的隔震、减振和振动控制[J].建筑结构学报,2002,(2).

[2]朱巍.场地条件对减震桥梁动力特性的影响分析[D].长安大学,2004.

作者简介:马永见(1964- ),男,河南荥阳人,研究方向:公路桥梁教学。