混合梁彎塔斜拉橋動力性能研究

混合梁彎塔斜拉橋動力性能研究

近年來，設(shè)計了越來越多的特殊斜橋。這些結(jié)構(gòu)注重美學(xué)，結(jié)構(gòu)的整體體現(xiàn)了獨特性。盡管有些仿真計算軟件可做到內(nèi)力(應(yīng)力)、變形可視化的程度,但模型試驗可以驗證設(shè)計計算方法的有效性和正確性,又可直觀地給出復(fù)雜細節(jié)的受力狀態(tài).1鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu)模型試驗的橋梁形式類似一個豎琴,稱為琴橋.主橋跨越鐵路站場,跨度為(34+112+62+62+50)m,主梁采用鋼-混凝土混合結(jié)構(gòu).主跨34m邊跨采用鋼主梁,其他邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土主梁,這種結(jié)構(gòu)形式主要是為了增大鋼梁一側(cè)的跨度,利于橋下通車,而另一側(cè)采用混凝土主要是為了降低造價;墩、塔、梁采用固結(jié)體系.本橋主跨一側(cè)為豎琴式索面,另一側(cè)僅布置2根平行端錨索,橋塔軸線為曲線,重心后傾.2動力特性試驗根據(jù)場地試驗條件、規(guī)模和試驗要求,確定長度、厚度和寬度的相似比尺為1/100,相應(yīng)的面積相似比尺為1/10000.模型材料的本構(gòu)關(guān)系應(yīng)盡量接近或同實橋有一定程度相似,因此確定為有機玻璃.鋼箱梁首先按照面積、截面彎曲和扭轉(zhuǎn)慣性矩簡化為等效混凝土箱梁,再將等效后的混凝土箱梁按尺寸的相似性轉(zhuǎn)化為有機玻璃箱梁模型.斜拉索的制作采用細鋼絲繩,全橋共7根拉索,按照幾何比尺分別采用不同的截面積.拉索內(nèi)力根據(jù)設(shè)計的理想索力以應(yīng)力比尺關(guān)系加在模型上,索力調(diào)整采用彈簧秤進行,經(jīng)多次反復(fù)調(diào)整,索力達到要求后用螺母在主梁上固定.模型制作除了滿足靜力相似條件外,還要滿足動力相似,取模型的容重與原型相同,而有機玻璃容重較小,所以,采取增加橋面和橋塔配重方法來滿足Cρ=1.配重采取均布荷載方式,使用白鐵皮均勻固定在模型橋面和橋塔兩側(cè),消除由于集中配重造成的轉(zhuǎn)動慣量分配不合理.模型相似比例關(guān)系見表1.對塔、墩均采取固結(jié)形式,制作完成的模型最后固定在一個較重的整體底座上.橋面系與橋墩的連接使用橡膠墊,可以模擬原型的橡膠支座.首先對模型進行了靜力試驗,按照設(shè)計的幾種工況和力的相似加載,將測得的試驗數(shù)據(jù)和理論計算數(shù)據(jù)進行對比分析,校驗系數(shù)在0.7～1.05,說明模型靜力相似滿足要求.動力特性試驗的所有測點布置在橋面和橋塔,其中橋面的傳感器均為垂直加速度傳感器,橋塔布置水平加速度傳感器,可以采集得到橫橋向和順橋向反應(yīng)加速度.動力特性試驗采用了單輸入多輸出方法,即在橋面一點激勵,而輸出采集點在橋面和橋塔上都有,橋面豎向和橋塔橫橋向、順橋向同時采集數(shù)據(jù).全橋測點布置見圖1.試驗激勵源用白噪聲,首先在測點23布設(shè)豎向加速度傳感器,該點為固定點,輸入激勵.在橋面上每個測量斷面從左至右安放豎向加速度傳感器進行數(shù)據(jù)采集,每個測量斷面布置內(nèi)外2個測點,可以得到結(jié)構(gòu)的豎彎振型和扭轉(zhuǎn)振型.橋面測量結(jié)束后,保持23號激勵點不動,在橋塔軸線上每個斷面布設(shè)橫橋和順橋2個測點,測得其振動振型.在數(shù)據(jù)后處理中,對橋面和橋塔所有測點進行集總平均分析,得到大橋模型的整個振型,也包括橋塔和橋面的耦合振動.3橋面模態(tài)的確定應(yīng)用有限元程序ANSYS建立了琴橋的實橋模型.雖然主梁為單箱5室閉口截面,但是橋面相對較寬,翹曲扭轉(zhuǎn)剛度不能忽略.在有限元建模時,采用了三主梁模型,充分考慮橋面系翹曲扭轉(zhuǎn)剛度對頻率的影響,其中翹曲扭轉(zhuǎn)剛度由兩個邊梁來間接提供.整個橋面系的質(zhì)量、剛度特性按照一定的分配原則由3個主梁分別承擔(dān).3個主梁的連接通過ANSYS程序的約束方程來實現(xiàn),即使用主從節(jié)點自由度之間的幾何關(guān)系式,用主節(jié)點自由度來表達從節(jié)點自由度,避免由于局部振動帶來的模擬失真.在建成的模型當(dāng)中,中間主梁和邊主梁的連接由于是約束方程法,看不到實際的橫梁,圖2是在ANSYS程序里直接采用圖形輸出獲得的琴橋空間有限元模型.而橋墩與橋面的連接也通過耦合方式,在圖中也沒有實際的連接部件.橋墩在地面的入土處假設(shè)為固結(jié),全橋斜拉索都采用ANSYS提供的UNK10單元,模擬其只受拉不受壓的特性,其余的部位模擬全部采用BEAM4單元,這種單元輸入簡單,是普通的Bernouley梁.模態(tài)計算使用ANSYS程序提供的模態(tài)計算模塊,用分塊籃索絲法.計算前10階振型和頻率.4結(jié)構(gòu)形式對動力特性的影響對實橋模型采用了白噪聲激勵方法,試驗結(jié)果和理論計算結(jié)果見表2.圖3列出了理論計算和試驗測試的對比振型,部分振型列出了結(jié)構(gòu)變形前后圖形,為便于觀察,其中虛線是未變形的結(jié)構(gòu)(第二階主梁的振動和第四階橋塔的振動抓取了與理論振型反相的圖,是為了更清楚地表達試驗結(jié)果),由振型可知,琴橋的各階振型均包含有橋塔的振動,或為橋塔單獨振動,或與主梁一起耦合振動,這說明琴橋橋塔較柔.這是因為獨柱橋塔的穩(wěn)定性相對較差,而且橋塔是曲線形式,塔兩側(cè)的拉索不對稱布置,塔身承受不平衡水平分力.在前10階振型中,混凝土梁一側(cè)沒有發(fā)生彎曲振動,可見這種鋼、混凝土混合梁的剛度分配具有很大的差異,而剛度分配不合理不利于整個結(jié)構(gòu)的抗震和抵抗行車沖擊荷載.尤其在鋼、混凝土連接處,處理不好會造成結(jié)構(gòu)的局部破壞.整個橋面的扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)的較晚,雖然是獨塔單索面橋,但是全橋的寬跨比較大,抗扭剛度相對較大,這有利于抗風(fēng).橋塔在動力荷載作用下,由于由一根背索拉住,兩側(cè)出現(xiàn)不平衡力,一般在背索部位附近出現(xiàn)的位移大.說明背索在結(jié)構(gòu)尤其是橋塔振動時,會承受相當(dāng)大的拉力.而在塔內(nèi)也會出現(xiàn)較大彎矩.不改變琴橋其他結(jié)構(gòu)形式而變換橋塔為直塔,進行動力特性的理論計算,結(jié)果見表3.直塔橋自振頻率比彎塔橋高,振型分布也較為密集,但二者振型差別不大,雖然彎塔橋梁美學(xué)價值的提高是以犧牲結(jié)構(gòu)力學(xué)特性為代價,但是由琴橋計算頻率差率數(shù)據(jù)可見,這種變化完全可以接受.不改變琴橋其他結(jié)構(gòu)形式而變換鋼主梁為混凝土主梁,截面特性與另一側(cè)主梁相同,進行動力特性的理論計算,結(jié)果見表4.橋塔為主的振動剛度差別為0,說明主梁材料的變化對橋塔的振動特性沒有大的影響.包含主梁振動的振型頻率有很大降低,但是主梁的振動仍然發(fā)生在原來一側(cè),主梁采用鋼材可以很大程度提高主梁的剛度.5結(jié)構(gòu)動力特性1)文中試驗?zāi)Ｐ秃头椒ǖ倪x擇可以適用混合梁橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性測試,結(jié)果與理論計算值相差