高墩薄壁連續梁橋動態自振特性分析

摘要:文章以省道S318線西張村大橋為工程實例,根據該橋的結構特點,采用有限元程序Midas/Civil對該橋進行模擬計算,建立了該橋梁的空間有限元計算模型,對西張村大橋進行了動態特性、地震時程響應以及施工階段穩定性計算,為了確保橋梁在建造過程中的安全和成橋后的抗震性能,對這類高墩薄壁連續梁橋的穩定性和抗震性能進行研究具有重要的工程意義和實用價值。

關鍵詞:高墩薄壁連續梁橋;動態特性;抗震性能;穩定性

中圖分類號:U446文獻標識碼:A

文章編號:1674-1145(2009)21-0133-02

省道S318線石原至三門峽西站段改建工程是連接石原與三門峽的省道區域聯絡線,對改善河南省西部地區的交通狀態,完善河南省交通網絡,促進當地經濟發展具有十分重要的作用。西張村大橋位于省道S318線石原至三門峽西站段改建工程東段,其中最高墩高度為83m是全線公路工程施工難度最大的重點工程,并且橋址處于地震多發地帶,由于該橋橋墩較高,建設技術含量高,施工建造技術復雜,為了保證橋梁在施工中和成橋運營階段的安全性,對西張村大橋進行穩定性和抗震性能研究非常重要。

一、西張村大橋動態性能分析

(一)橋梁概況

省道S318線石原至三門峽西站段改建工程,是連接石原與三門峽的省道區域聯絡線,對改善河南省西部地區的交通狀態,完善河南省交通網絡,促進當地經濟發展具有十分重要的作用。西張村大橋位于省道S318線石原至三門峽西站段改建工程東段,大橋采用50m簡支連續T梁和25m簡支連續箱梁,其跨徑組合為(3×5+4×5)m連續T梁和(4×25)m連續箱梁,全橋長457m。橋梁終點部分位于R=300m,Ls=40m,A=109.545,傾角α=40°30,45"(Z)的平曲線上。由于橋區地貌單元為中低山河谷地,水文地質單元為中低山河谷型孔隙、孔隙潛水區,該橋跨越的南北地溝溝深坡陡,其中1~6號橋墩采用矩形空心薄壁墩,凈高分別為57m、68.5m、76m、83m、63m以及43m,其中4墩凈高83m,為河南省公路建設歷史上的第1高墩。

設計荷載:公路—Ⅰ級;

橋梁寬度:全寬12.0m=1.0(人行道)+凈寬10.0m(行車道)+1.0(人行道)m;

跨徑組成:(3×50+4×50)m的連續T梁+(4×25)m連續箱梁;

環境類別:Ⅰ類;

結構重要性系數:1.1;

設計風速及風壓:36.5 m/s,風壓0.51kN/m2;

(二)西張村大橋主橋有限元建模

西張村大橋主梁為預應力混凝土連續T梁,橫截面由5個小T梁組成,各個T梁之間采用現澆濕接縫連接,橫梁采用矩形截面,截面的厚度為20cm。本文采用有限元程序Midas/Civil建模,T梁和橫梁均采用梁單元來模擬,梁單元的每個節點有6個自由度,包括3個平動自由度和3個轉動自由度,該單元形式具有拉、壓、扭轉以及彎曲能力;T梁之間的濕接縫用板單元來模擬,板單元的每個節點有3個平動自由度和2個轉動自由度,該單元形式具有彎曲及薄膜特性;由于橋墩是變截面的,所以采用變截面梁單元進行模擬。全橋計算模型共計劃分3518個節點,3061個單元,橋梁有限元計算模型分別如圖1-1所示。

空間計算模型各個單元截面形式及尺寸均按照橋梁設計圖紙確定,計算模型中單元材料特性值按照橋梁有關設計規范規定選取。

橋梁計算模型的空間坐標系方向規定如下:縱橋向為x軸(x軸向右為正方向),橫橋向為y軸(y軸向里為正方向),豎向為z軸(z軸向上為正方向)。邊界條件設置為,在橋梁的T梁搭設階段,在每跨形成簡支梁橋結構,每片T梁和橋墩的連接先采用剛性連接,然后在每片T梁的一端釋放繞y軸的轉動roty、繞z軸的轉動rotz,同時在另一端釋放沿縱向的位移ux、沿橫向的位移uy、繞y軸的轉動roty、繞z軸的轉動rotz。隨著橋梁進行先簡支后連續施工,在橋梁體系轉換后,橋梁上部結構與橋墩的連接發生了相應的變化,橋墩與上部結構的連接均先采用剛性連接,由于3號墩為制動墩,3號墩與上部結構的連接僅釋放繞y軸的轉動roty,其余橋墩釋放沿縱向的位移ux、沿橫向的位移uy、繞y軸的轉動roty以及繞z軸的轉動rotz。每個橋墩底部為固結,在承臺處約束6個方向的自由度。

(三)西張村大橋動態特性分析

采用有限元程序MIDAS/Civil對西張村大橋的自振特性進行計算,運用子空間迭代法求解橋梁的空間自振特性,迭代次數設定為30次,收斂誤差設為1e-10,該方法適用于大型對稱結構的特征值求解,所得結果較精確。結構動力分析中對應于振型的有效質量總和(即振型參與質量)要占總質量的90%以上,故為了保證計算精度,滿足振型在各個方向的參與質量之和達到要求,對該橋梁共計算了50階振動頻率和振型,詳細計算結果見表1:

二、結論

文章分析西張村大橋的動態特性可以得出以下結論:1.西張村大橋的低階振型以橋面系與橋墩的橫向、豎向振動為主,橫向振動先于豎向振動出現,橋墩的縱向振型僅在第14階出現,橋面系扭轉振型僅在第15階出現,說明該橋的整體橫向剛度最小,整體豎向剛度次之,墩的縱向剛度和橋面系的整體抗扭剛度均較大,橋梁最易發生橫向振動形式;2.橋面系的扭轉振型出現在第15階,說明橋面系的扭轉剛度比較大,主要原因是5根T梁與橫隔板及現澆濕接縫形成了整體橋面梁格體系,為橋面結構提供了較大的扭轉剛度。

參考文獻

[1]周錫元,閻維明,楊潤林.建筑結構的隔震、減振和振動控制[J].建筑結構學報,2002,(2).

[2]朱巍.場地條件對減震橋梁動力特性的影響分析[D].長安大學,2004.

作者簡介:馬永見(1964- ),男,河南滎陽人,研究方向:公路橋梁教學。