管-桥耦合下管线悬索桥的动力特性和地震反应*

杨永清，冯睿为，黄　坤，陈锦晶，李晓斌

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)



管-桥耦合下管线悬索桥的动力特性和地震反应*

杨永清1，冯睿为1，黄坤1，陈锦晶2，李晓斌1

(1.西南交通大学 土木工程学院，成都 610031；2.辽宁工程技术大学 土木与交通学院，辽宁 阜新 123000)

为了研究管线悬索桥大直径管线和桥梁的耦合作用对结构动力特性和地震反应的影响，以澜沧江管线悬索桥为研究对象，利用有限元软件建立实桥模型，分析了管线悬索桥在管-桥耦合作用下的动力特性，并研究了管-桥耦合对桥梁地震反应的影响.结果表明，与未耦合时相比，管-桥耦合作用下桥梁结构的自振周期较长，自振模态被激励的先后顺序发生变化；在地震波激励下，管-桥耦合作用对管线悬索桥不同构件的受力和变形具有不同的影响，其中索塔顺桥向剪力和主梁横向位移均减小，主梁上弦杆轴力和竖向挠度均增大.在计算过程中考虑管-桥耦合作用的影响能够比较真实地反映结构实际的动力特性.

油气管道；悬索桥；地震响应；动力特性；行波效应；一致激励；耦合；振型

随着我国油、气管道建设的发展，大型油气跨越工程越来越多，管线悬索桥以其跨越能力大、造价低和造型优美等优点受到广泛关注.但是管线悬索桥属于柔性体系，自重和自身刚度较传统悬索桥更低[1]，而在多管线大直径油气管道的共同作用下，管线悬索桥自身刚度和自重发生较大的变化，其动力特性也随之变化，对桥梁结构的地震响应也将产生很大的影响.目前，油气管线桥向高压、大管径和大跨度方向发展，但对于此种特殊桥梁结构动力特性和地震反应行为的研究十分缺乏，故对管-桥耦合下管线悬索桥动力特性和地震反应的研究具有重要的理论和实际意义.

以中缅油气管线工程澜沧江悬索桥为研究对象，利用有限元程序建立全桥有限元模型，分析其动力特性和行波效应下的地震反应，以期为此类特殊桥梁的动力特性研究和抗震设计提供借鉴和参考.

1　工程概况

澜沧江管线悬索桥独跨280 m，主缆计算跨度为(25+280+25) m，矢跨比为1/10，主桁采用带竖杆的华伦式桁架，桁高3.0 m，节间长2.5 m，吊索标准间距为5.0 m，纵向两片主桁间距与主缆间距相同为10.0 m.主塔结构设计为门式结构，由钢塔柱及上、中、下横梁组成，从承台顶面起塔高为34.5 m.塔柱间横向中心距为在塔顶处10 m，承台顶处13.8 m，管线悬索桥结构总体布置如图1所示(单位：m).

图1　管线悬索桥结构总体布置

2　有限元模型

采用有限元程序Midas/civil建立管线悬索桥空间有限元模型，如图2所示.加劲梁和桥塔均采用空间梁单元进行模拟，主缆和吊索采用只受拉桁架单元模拟.考虑管-桥耦合时管线采用梁单元模拟，管道和介质自重通过管道容重的调整施加于加劲梁上，管线与桥梁之间采用弹性连接，管端采用固结，考虑到管端并未浇筑混凝土固结，释放梁端约束Dx、Dy、Dz为原来的70%.不考虑管-桥耦合时，管道和介质自重转化为均布荷载施加于加劲梁上，并通过荷载转化为质量，考虑其对结构质量的影响和主缆的“垂度”效应，主缆的弹性模量用Ernst公式进行修正.悬索桥实测阻尼比一般在0.5%～1.0%之间，本桥阻尼比取为1.0%[5].

图2　管线悬索桥空间有限元模型

3　动力特性

结构自身质量和刚度关系用动力学公式可表示为

(1)

式中：K为结构刚度矩阵；M为结构质量矩阵；ω为结构自振频率.

在管-桥耦合后，管线桥结构的刚度矩阵K和质量矩阵M均发生变化，由式(1)很难定性地确定考虑管-桥耦合后桥梁结构自振周期的变化趋势，因此，必须分别考虑管-桥耦合与未耦合两种情况对桥梁结构的动力特性进行计算.

通过有限元模型分别计算澜沧江管线悬索桥原桥和管-桥耦合后桥梁的前100阶模态.限于篇幅，表1只列举出前10阶模态的自振周期和振型特征.在考虑耦合作用后，由计算结果可知：

1) 桥梁结构自振周期增大，第1阶振型增幅最大，约为52.4%；

2) 加劲梁的切线刚度进一步降低致使主梁在前7阶模态中以竖向振动为主的振型较早较多地出现；

3) 桥梁结构加劲梁的抗扭刚度进一步降低致使主梁在反对称扭转振动提前3阶出现；

4) 桥梁结构缆索的“重力刚度”增大使以主缆振动为主的模态出现较晚；

5) 由于管线及介质的偏载作用，桥梁结构主梁在靠近原油管道(荷载集度较大)处竖向振幅较大，由此说明在管-桥耦合作用下，管道的横向偏载作用对桥梁的动力特征产生较大的影响.

表1　结构前10阶振型特征

4　地震反应

根据《油气输送管道线路工程抗震技术规范》(GB50470-2008)规定，大型跨越应按50年超越概率2%的地震动参数进行抗震设计.根据地震部门给出的地震动参数，桥址50年超越概率为2%，地震峰值加速度为0.28 g(烈度为8度).考虑到特大桥地震设防的烈度可提高1度，因此，取基本烈度为9度，水平基本地震加速度峰值为0.40 g，场地特征周期为0.40 s.计算时采用一条满足设计要求的地震波，相对加速度时程曲线如图3所示.地震输入分别为横桥向和顺桥向，考虑到是竖向地震波，对于大跨度悬索桥我国通常做法是竖直地震系数取为水平地震系数的1/2(或2/3)[8-12]，其工况表达式为

工况1(顺桥向)：

Ex+0.5Ez

(2)

工况2(横桥向)：

Ey+0.5Ez

(3)

式中，Ex、Ey、Ez分别为作用于顺桥向、横桥向、竖直向的地震激振.

图3　地震波相对加速度时程

在不同工况地震波作用下，塔身最大剪力、塔顶最大位移、主梁最大挠度及主梁跨中上弦杆轴力计算结果如图4～8和表2所示，由计算结果可知：

1) 与原桥相比，考虑管-桥耦合后由于受管道和输送介质重力的影响，在地震力作用下主梁受力及变形与未耦合时相比变化显著，如图4～6所示.其中，考虑行波效应后，当波速为500 m/s时，管-桥耦合下主梁跨中上弦杆轴力增大为未耦合时的2.71倍，当波速为2 500 m/s时，主梁最大挠度增大为未耦合时的1.79倍.

图4　工况1主梁上弦杆最大轴力

图5　工况2主梁跨中弦杆轴力时程

2) 管-桥耦合后与未耦合时相比，主梁最大挠度在工况1下增大，工况2下减小，如图6和表2所示.

3) 与未耦合时相比，考虑管-桥耦合后工况1下索塔顺桥向最大剪力减小，塔顶顺桥向最大位移在工况1下增大，工况2下减小，如图7、8和表2所示.

4) 在工况2下，与原桥相比，考虑管-桥耦合后索塔横桥向最大剪力和弯矩变化幅度不超过0.5%，即管-桥耦合作用对索塔横桥向的最大剪力及弯矩影响很小，主梁横向最大位移由于管-梁横向抗弯刚度的增大而减小，较管-桥未耦合时减小了14.3%，如表2所示.

图6　工况1不同波速下主梁最大挠度

图7　工况1下索塔顺桥向最大剪力

图8　工况1下塔顶顺桥向最大位移

耦合情况索塔横桥向最大剪力kN索塔横桥向最大弯矩(kN·m)塔顶顺桥向最大位移cm塔顶横桥向最大位移cm主梁最大挠度mm主梁横向最大位移mm未耦合709.606092.007.8618.23237.20319.80耦合707.706130.003.0218.17105.50274.00

5　结　论

以中缅油气管线工程澜沧江悬索桥为研究对象，通过有限元软件Midas/civil建立模型，分析管-桥耦合作用下管线悬索桥的动力特性，并以跨中弦杆轴力、主梁挠度、索塔塔顶位移和内力等作为目标，研究管线悬索桥在管-桥耦合作用下的地震反应，得出以下结论：

1) 管线悬索桥结构在管-桥耦合作用下，与未耦合时相比自振周期较长，自振模态被激发的先后顺序发生变化；

2) 地震激励下管-桥耦合作用对管线悬索桥不同构件的受力和变形具有不同的影响，耦合作用下索塔顺桥向剪力和主梁横向位移均减小，在工况1下主梁上弦杆轴力竖向挠度以及塔顶顺桥向位移均增大，在计算过程中考虑管-桥耦合作用的影响能够比较真实地反映结构实际受力特性；

3) 管-桥耦合作用下桥梁结构在行波效应下的受力和变形较未耦合时变化显著.

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(责任编辑：钟媛英文审校：尹淑英)

Dynamic characteristics and seismic response of pipeline suspension bridge under pipe-bridge coupling effect

YANG Yong-qing1,FENG Rui-wei1,HUANG Kun1,CHEN Jin-jing2,LI Xiao-bin1

(1.School of Civil Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu 610031,China; 2.Institute of Civil Engineering and Transportation,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China)

In order to study the influence of coupling effect between large-diameter pipeline and bridge of pipeline suspension bridge on the dynamic characteristics and seismic response of the structure,the Lantsang river pipeline suspension bridge was regarded as the research object,and the real bridge model was established with finite element software.The dynamic characteristics of pipeline suspension bridge under the pipe-bridge coupling effect were analyzed,and the influence of pipe-bridge coupling on the seismic response of the bridge was studied.The results indicate that compared with no pipe-bridge coupling effect,the natural vibration period of the bridge structure is longer under the pipe-bridge coupling effect,and the excited order of natural vibration modes changes.Under the excitation of seismic wave,the pipe-bridge coupling effect has different influences on the force and deformation of different components.The shear force of cable pylon along the bridge and the lateral displacement of main girder decrease.However,the axial force of top chords and vertical deflection of main girder increase.The actual dynamic characteristics of the structure can be factually reflected through considering the pipe-bridge coupling effect in the calculation process.

oil and gas pipeline; suspension bridge; seismic response; dynamic characteristic; traveling wave effect; uniform excitation; coupling; vibration mode

2015-09-21.

国家自然科学基金资助项目(51508474).

杨永清(1965-)，男，四川阆中人，教授，博士，主要从事既有桥梁结构损伤识别与健全性评估理论等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.02.17

TU 378.2

A

1000-1646(2016)02-0211-05

*本文已于2016-03-02 16∶42在中国知网优先数字出版.网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1642.014.html

建筑工程