空间缆索体系对自锚式悬索桥的动特性影响研究

作者:陶庆东;肖盛燮 刊名:科学技术与工程 上传者:屠娟

【摘要】为了探索理想的自锚式悬索桥缆索体系以提高桥梁在地震作用下的稳定性,以吉林某自锚式悬索桥为工程实例,设计另外两种不同缆索体系的自锚式悬索桥。运用自振特性的研究方法对其自振特性进行分析;运用时程分析方法,对其在地震作用下的稳定性进行分析。结果表明:自锚式悬索桥采用内倾式空间缆索体系时,结构的侧弯及扭转频率增大,对动力特性有利;采用外倾式空间缆索体系时,结构的侧弯及扭转频率减小,对动力特性不利;在纵向地震波作用下,外倾式与平行缆索体系的结构响应更小;在横向地震波作用下,内倾式与平行缆索体系的结构响应更小。

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随着自锚式悬索桥跨度的不断增大,如2006年建成的主跨350m的广东佛山平胜自锚式悬索桥,2013年计划完工的主跨为406m的郑州黄河公路大桥,悬索桥抗震研究也随之变得更为重要。当前国内外学者对中小跨径自锚式悬索桥的施工控制、静力和动力性能等方面进行了比较多的研究与分析[1],张新军[2]也进行了大跨度地锚式悬索桥的空间缆索体系的抗风研究,表明,平行主缆的缆索体系对结构受力是非常适合的,但鲜有不同空间缆索体系的自锚式悬索桥的动力响应研究。目前,自锚式悬索桥最常用的缆索体系为平行缆索体系,其基本特点是竖向荷载通过两个主缆和吊杆形成的竖向平行的索面承受。当前是世界地震多发期,如四川的汶川、雅安地震,致使人类的生命财产造成了极大的损失,因此探索出能够适应地震的合理空间缆系的自锚式悬索桥非常有必要。为了探索理想的大跨度自锚式悬索桥缆索体系,提高其动力的稳定性,以吉林某自锚式悬索桥为工程实例,运用ABAQUS有限元软件建立模型,通过改变空间缆索体系,探讨不同空间缆索体系自锚式悬索桥的自振特性及动力响应规律,从而得到最优的空间缆索体系结构形式。1理论方法1.1自振特性的分析方法数值积分方法是伴随着计算机与计算力学等相关学科的发展应运而生,其具体过程是首先将结构离散化,使其成为多自由度体系。同时,将建立的有限元矩阵方程转化为矩阵的标准特征值问题,之后通过子空间迭代法进行求解,在最终设计阶段需要多个比较准确的振型和频率时,使用此方法可以得到比较精确的结果。1.2动力特性的时程分析方法时程分析方法亦称直接积分方法[3],是一种直接基于结构动力方程的数值方法,是目前最为常用的动力方程求解方法。其优点在于可以使桥梁的抗震设计从单一转变为双重保证,使桥梁的设计者非常清楚的了解地震动作用下桥梁的破坏机理,并采取措施更好的提高桥梁的抗震性能。直接积分法的思路是:研究地震动作用下的桥梁结构的反应时,将地震的持续时间划分为具有一定间隔的微小时间段,并由地震作用下的动力方程求解得到结构的动力响应的值解。如图1所示,当已知结构在tn和tn时刻前的地震反应值{u}n,{u}n,{u}n,可采用数值方法由动力方程确定时间段t后tn+1=tn+t时刻的反应值{u}n+1,{u}n+1,{u}n+1,持续这个步骤,就可以得到结构动力响应全过程的结果。图1直接积分法基本原理2自锚式悬索桥结构概况本桥为双塔三跨式自锚式悬索桥[1],主跨为240m,边跨90m,锚固跨12.5m,加劲梁为宽28m,高2.5m的混凝土箱梁,设双向2%横坡。主塔采用H型塔,主塔的顶部及底部的尺寸分别为8m4.5m及8m5m,主缆的矢跨比为18,单根主缆直径65.8cm,吊索由139根7.1mm的镀锌高强度平行钢丝组成,钢丝强度为1670MPa,由7747根5.1mm镀锌高强度平行钢丝组成。主梁采用钢筋混凝土箱梁单箱四室,梁宽28m,每6m设置一道横梁。图2为悬索桥的总体布置图。2.1有限元模型运用大型有限元软件ABAQUS建立此自锚式悬索桥模型,桥面系采用单主梁(脊梁)模型模拟,图2自锚式悬索桥总体布置图其优点是主梁的刚度系统和质量系统符合力学特性,主塔及其横梁采用三维梁单元模拟,主缆及吊杆采用了B32三维二次梁单元,主要由于模型中包含了154个接触[4],模型中节点总数为5122个,单元总数为5047个,所建立的自锚式悬索桥有限元模型如图3所示。图3自锚式悬索桥有限元模型图3结构参数分析[57]运用自振特性的分析方法,对自锚式悬索桥进行模态分析,得到平行主缆体系自锚式悬索桥自振频率与振型,见表1。表1自锚式悬索桥的

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