大跨度雙塔雙索面斜拉橋動(dòng)力響應(yīng)分析

翁雪峰, 章新雨

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

[定稿日期]2017-08-29

斜拉橋是一種由塔、梁、索三種基本構(gòu)件組成的組合橋梁結(jié)構(gòu)體系。作為一種拉索支撐體系，斜拉橋比梁式橋有更大的跨越能力，而在技術(shù)方案合理的跨徑范圍內(nèi)，斜拉橋比懸索橋具有更好的經(jīng)濟(jì)性，線條纖秀，構(gòu)造簡潔，橋型優(yōu)美。因此，盡管斜拉橋的出現(xiàn)歷史較晚，但發(fā)展極為迅速，不到半個(gè)世紀(jì)就已經(jīng)普及到世界各地。斜拉橋在我國也得到了很多應(yīng)用，關(guān)于斜拉橋的成橋狀態(tài)，以及其在自重、車載、地震作用下的結(jié)構(gòu)分析，也受到了更多的關(guān)注[2]。特別是對(duì)雙塔雙索面斜拉橋安全運(yùn)營評(píng)價(jià)還需要進(jìn)一步研究，基于此，文章以某雙塔雙索面斜拉橋?yàn)槔么笮陀邢拊治鲕浖嗀NSYS，完成雙塔三跨斜拉橋模型的建立，并分析其在自重、車輛活載、地震作用下的力學(xué)效應(yīng)。

1 工程概況

文章所研究的橋梁為主橋長404 m的雙塔雙索面斜拉橋，跨徑布置為105 m+194 m+105 m，索塔高度50 m，橋面寬度24 m，跨徑布置如圖1所示，主梁截面如圖2所示。

圖1 跨徑布置示意(單位:m)

圖2 箱梁截面示意(單位:m)

該斜拉橋選用雙索面扇形布置形式，且為平行鋼絲體系，其設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度為1 670 MPa。

2 有限元模型的建立與分析

2.1 模型參數(shù)

文章運(yùn)用限元軟件ANSYS建立了三維有限元模型，主梁用空間梁單元Beam4模擬，橋塔用空間變截面梁單元Beam44模擬，斜拉索用空間桿單元Link10模擬，橋上的二期恒載用Mass21來模擬。

在建模過程中，斜拉橋的橋臺(tái)、橋墩與地基之間采用固結(jié)模擬，拉索與主體之間采用剛性約束，斜拉橋的主梁和主塔的連接處用鉸支座模擬。

該公路斜拉橋建模所采用的單元類型、主要參數(shù)列表及邊界約束條件分別如表1～表3所示。

表1 單元類型參數(shù)

表2 材料參數(shù)

表3 結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸參數(shù)

注：x為順橋向，y為豎橋向，z為橫橋向。

建立的三維有限元模型如圖3所示。

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型示意

2.2 荷載效應(yīng)

(1)該大橋主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)：設(shè)計(jì)汽車荷載等級(jí)為公路-I級(jí)，設(shè)計(jì)車速為80 km/h。

(2)恒載效應(yīng)主要考慮橋梁結(jié)構(gòu)的自重以及二期恒載、拉索張力和預(yù)應(yīng)力荷載。

(3)地震分析采用動(dòng)態(tài)時(shí)程分析法[3]，本文地震波取天津波，利用地震時(shí)程相位差及不同地震多量多點(diǎn)輸入模擬地震效果。表4給出部分加速度數(shù)據(jù)[4]。

表4 部分地震波加速度數(shù)據(jù)

2.3 荷載形式的影響

2.3.1 固有頻率計(jì)算

通過在ANSYS中對(duì)該橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算，可得到模型的固有頻率及振型。表5列出了由ANSYS程序計(jì)算所得該公路斜拉橋成橋狀態(tài)前10階的固有頻率及相應(yīng)的振型特點(diǎn)。

2.3.2 自重作用下的位移

通過調(diào)整索力，使全橋在自重作用下符合成橋狀態(tài)，并進(jìn)行自重作用下的變形和應(yīng)力分析(圖4、圖5)。

圖4 自重作用下的變形

階次頻率/Hz振型特點(diǎn)10．39430主梁一階豎向正對(duì)稱彎曲20．60604主梁一階橫向反對(duì)稱彎曲30．76232主梁一階豎向反對(duì)稱彎曲40．76237右塔橫向彎曲50．76986左塔橫向彎曲60．83702主梁二階豎向反對(duì)稱彎曲、整體縱向彎曲70．87002主梁二階豎向正對(duì)稱彎曲80．96386主梁一階扭轉(zhuǎn)正對(duì)稱彎曲91．0110主梁一階扭轉(zhuǎn)反對(duì)稱彎曲101．1249整體縱向彎曲

圖5 自重作用下的應(yīng)力分布

從圖4、圖5可以看出，自重作用下，豎向最大變形為0.0729 m，發(fā)生在跨中。最大應(yīng)力為0.68 MPa，發(fā)生在跨中截面處，滿足混凝土主梁最大豎向撓度不應(yīng)大于L/500。斜拉橋的跨中撓度為正值，說明主梁在自重、二期恒戴作用下，梁體同時(shí)受到拉索索力、預(yù)應(yīng)力共同作用，使得梁體跨中上拱，說明該斜拉橋在成橋時(shí)，具有一定的上拱度，這與該橋?qū)嶋H情況相符[5]。

2.3.3 移動(dòng)荷載作用下的瞬態(tài)動(dòng)力特性

車輛在橋上運(yùn)行時(shí)會(huì)造成橋梁振動(dòng)，同時(shí)橋梁對(duì)車輛也有作用[5]。當(dāng)車輛以80 km/h運(yùn)行時(shí)，主梁跨中振動(dòng)變化如圖6、圖7所示。

圖6 移動(dòng)荷載作用下跨中撓度時(shí)程曲線

圖7 移動(dòng)荷載作用下跨中撓度速度時(shí)程曲線

當(dāng)車輛在橋上運(yùn)行時(shí)，跨中截面的撓度不斷的發(fā)生著變化，當(dāng)運(yùn)行至跨中時(shí)，豎向撓度達(dá)到最大，在成橋的基礎(chǔ)上，下降了0.005 m。

2.3.4 地震作用下主梁振動(dòng)變化

該地區(qū)地震波取天津波，以加速度的模擬方式輸入，跨中截面與塔頂?shù)恼駝?dòng)情況如圖8～圖11所示。

圖8 地震作用下跨中截面豎向的振動(dòng)時(shí)程曲線

圖9 地震作用下跨中截面縱橋向的振動(dòng)時(shí)程曲線

由圖8～圖11可以看出，地震波的作用下，主梁跨中截面縱橋向振動(dòng)不激烈，但主梁跨中截面豎向發(fā)生劇烈振動(dòng)，最大振動(dòng)2.186 m，橋面已經(jīng)損壞。對(duì)橋塔頂部，橫橋向振動(dòng)不激烈，但縱橋向劇烈振動(dòng)，最大振動(dòng)0.875 m。

3 結(jié)論

(1)計(jì)算過程中發(fā)現(xiàn)，主梁在自重、二期恒載、拉索索力、預(yù)應(yīng)力共同作用，梁體跨中上拱，在成橋時(shí)，具有一定的上拱度。

(2)當(dāng)有汽車荷載作用在橋上，二者會(huì)發(fā)生耦合作用，當(dāng)行車至中跨跨中時(shí)，震動(dòng)最強(qiáng)，造成的豎向撓度最大。當(dāng)列車運(yùn)行至中跨跨中時(shí)，造成的震動(dòng)最為激烈。

圖10 地震作用下塔頂縱橋向的振動(dòng)時(shí)程曲線

圖11 地震作用下塔頂橫橋向的振動(dòng)時(shí)程曲線

(3)斜拉橋是拉索支撐體系，當(dāng)發(fā)生地震時(shí)，塔頂和主梁會(huì)發(fā)生劇烈振動(dòng)，使拉索斷裂或者拉索索力失效，從而造成主梁或主塔的斷裂。

(4)我國西南地區(qū)屬于地震多發(fā)地帶，在車輛荷載、風(fēng)荷載的共時(shí)作用下，帶來的破壞更大，所以設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)大跨徑的斜拉橋進(jìn)行必要的抗震等動(dòng)力響應(yīng)分析是非常必要的。

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