单索面矮塔斜拉桥的动力特征参数研究_图文

1、振动与冲击第25卷第6期JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCKVol .25No .62006单索面矮塔斜拉桥的动力特征参数研究 甘肃省自然科学基金资助项目(3ZS042-B25-032;兰州交通大学“青蓝”人才工程基金计划资助收稿日期:2005-09-21修改稿收到日期:2005-11-23第一作者蔺鹏臻男,博士生,讲师,1977年生蔺鹏臻周世军刘凤奎张元海(兰州交通大学土木学院,兰州730070摘要结合小西湖双塔三跨单索面矮塔斜拉桥地震荷载作用下的结构动力反应,引入“斜拉索动力荷载效应影响度”的概念定量分析了矮塔斜拉桥斜拉索在地震荷载下的实质作用,并据此提炼

2、出能综合反映矮塔斜拉桥结构动力特征的参数“矮塔斜拉桥动力特征参数”;用“斜拉索动力荷载效应影响度”与“矮塔斜拉桥动力特征参数”的相关性定量描述矮塔斜拉桥的动力特点,对进一步认识矮塔斜拉桥的动力性能有一定的参考意义。关键词:矮塔斜拉桥,斜拉桥,荷载效应,特征参数,动力性能中图分类号:U448.27文献标识码:A0引言矮塔斜拉桥是由法国Jacques M athivat 教授于1988年建议的,称为Extradossed bridge 1。该桥型是从体外预应力桥发展而来的,在日本称为“ - ”PC 桥,在中国有人称其为“部分斜拉桥”2,3。继芜湖长江大桥之后,矮塔斜拉桥已作为一种新型的结构体系,在

3、国内得到了较好的应用,在修建的矮塔斜拉桥中,混凝土矮塔斜拉桥以单索面居多。目前,人们只是通过“塔矮、梁刚、索集中”2,3定性地描述矮塔斜拉桥的特点。目前一般没有对矮塔斜拉桥和普通斜拉桥在设计理论上区分。笔者曾和导师通过分析矮塔斜拉桥在活载作用下的结构反应,提出了能够反映矮塔斜拉桥静力结构特性的“矮塔斜拉桥特征参数”,较好地反映了矮塔斜拉桥斜拉索在静力荷载作用下的实质性作用4,5。本文结合小西湖双塔三跨斜拉桥地震荷载作用下的结构反应,引入“斜拉索动力荷载效应影响度”的概念定量分析了矮塔斜拉桥斜拉索在地震荷载下的实质作用,并据此提炼出能综合反映矮塔斜拉桥结构动力特征的参数“矮塔斜拉桥动力特征参数”

4、;用“斜拉索动力荷载效应影响度”与“矮塔斜拉桥动力特征参数”的相关性定量描述矮塔斜拉桥的动力特点,对进一步认识矮塔斜拉桥的动力性能有一定的参考意义。1矮塔斜拉桥的动力荷载效应111算例背景以兰州市小西湖黄河大桥(82m +136m +82m 为例,该桥为预应力混凝土双塔单索面矮塔斜拉桥(图1。采用塔梁固结、梁墩分设的结构形式。梁体采用单箱三室大悬臂横断面,梁高2.6m 4.5m ,箱梁顶宽27.5m ,箱梁底宽15.428m 16.948m 。主塔高为17.0m ,采用实心矩形截面。斜拉索布置在中央分隔带上,塔上竖向索距0.7m ,梁上索距4.0m。图1小西湖矮塔斜拉桥/cm112选取考察目标

5、矮塔斜拉桥斜拉索的主要作用是改善主梁的受力4-6,所以矮塔斜拉桥主梁的受力状态是研究矮塔斜拉桥力学性能的重点,同时,荷载作用下斜拉索的索力反映矮塔斜拉桥拉索对主梁受力性能改善的程度。所以在分析矮塔斜拉桥荷载反应时,主梁的弯矩和挠度以及斜拉索总索力是体现矮塔斜拉桥荷载效应的重要参数。对单索面矮塔斜拉桥,由于斜拉索主要影响主梁面内受力性能,对面外的贡献较小。所以在分析矮塔斜拉桥在地震荷载作用下,斜拉索、主梁的刚度及索塔的高度对主梁的中跨跨中最大挠度f、主梁在塔根部位弯矩M t、主梁中跨跨中弯矩M b(绝对值,下同和斜拉索总索力的竖向分力T的影响基本可以概括其对矮塔斜拉桥结构受力特性的影响。对于本算

6、例桥,由于结构为单索面斜拉桥,选取f、M t、M b均为面内变形及弯矩。113动力荷载工况采用反应谱分析方法,分析矮塔斜拉桥对地震作用的反应。反应谱采用兰州市小西湖黄河大桥工程场地地震安全性评价报告中提供的超越概率为10%的反应谱曲线7,在纵横两个方向施加,竖向反应谱取为水平向的2/3。同时按公路工程抗震设计规范,计算中考虑重要性系数1.7和综合影响系数0.3。谱曲线的表达式为:(T=1.0+13.0T0T0.12.30.1T0.25 2.3(0.25/T0.90.25T2.4 0.32.4T5.0114计算模式为了对比分析,在前述基本资料的基础上,取下述四种模式计算结构的活载效应:a按三跨连

7、续梁计算,即不考虑斜拉索的作用。b仅改变塔高(即H,斜拉索倾角和长度L c变化,结构形式及其余结构几何参数不变。c仅改变拉索截面(即A c,结构形式及其余结构几何参数不变。d仅改变主梁截面惯性矩,结构形式及其余结构几何参数不变。主梁惯矩调整包括面内及面外,根据主梁面外与面内惯矩(即Ig的比例关系,采用数值拟合实现主梁惯矩的全面调整。调整首先按比例调整I g,面外惯矩按拟合比例作相应的调整。可看出,a模式的计算结果反映的是无斜拉索时,连续梁的动力荷载效应;b模式的计算结果反映的是塔高对矮塔斜拉桥动力荷载效应的影响;c模式的计算结果反映的是拉索截面积对矮塔斜拉桥动力荷载效应的影响;d模式的计算结果

8、反映的是主梁的抗弯刚度对矮塔斜拉桥动力荷载效应的影响。2矮塔斜拉桥动力参数分析211矮塔斜拉桥斜拉索动力荷载效应影响度实际上,b、c、d三种模式的计算结果与a模式相应量的差值分别反映了矮塔斜拉桥斜拉索的作用效果(不包括拉索初张力的效果随塔高、拉索截面积、主梁的抗弯刚度的变化趋势。在此引入矮塔斜拉桥“斜拉索动力荷载效应影响度”的概念:f=(f连续梁-f斜拉桥f连续梁;M t=(M t连续梁-M t斜拉桥M t连续梁;M b=(M b连续梁-M b斜拉桥M b连续梁;T=T斜拉桥F d(Fd为地震荷载在竖向的分力,即为结构总质量与竖向地震加速度的乘积。式中:f、M t、M b、T分别为相应模式下斜

9、拉索对主梁跨中挠度、塔根弯矩、跨中弯矩及索力的影响度;f斜拉桥、M t斜拉桥、M b斜拉桥、T斜拉桥分别为相应模式下矮塔斜拉桥主梁的跨中挠度、塔根弯矩、跨中弯矩及索力的竖向分力;f连续梁、M t连续梁、M b连续梁分别为连续梁桥主梁跨中挠度、支座弯矩、跨中弯矩(即a模式。b、c、d三种模式下,塔高、拉索截面积、主梁的抗弯刚度对矮塔斜拉桥动力荷载效应影响度的计算结果见表1表3。表1矮塔斜拉桥荷载效应影响度随塔高的变化趋势塔高H(m051015202530354045f(%0.272.226.5013.8720.4025.2428.6430.5432.1433.30M t(%0.312.004.3

10、89.0914.3018.7722.0524.2025.4726.10M b(%0.070.621.552.643.674.314.965.626.266.84T(%0.081.062.726.3311.3013.7216.3318.1719.4120.18注:塔高H为结构塔高,即从梁顶至塔顶第一对索中心的距离。塔高为0时,斜拉索相当于主梁的体外预应力束。表2矮塔斜拉桥荷载效应影响度随拉索截面积的变化趋势拉索截面积A0.00.20.30.40.50.7511.251.52.0f(%0.000.332.534.566.4610.6914.3017.2819.8824.27M t(%0.001.1

11、43.314.796.088.9411.5914.0916.4820.92M b(%0.000.471.351.832.192.643.133.523.844.33T(%0.004.504.825.416.117.969.8211.6113.3216.51注:A 为c模式斜拉索截面积与实桥斜拉索实际截面积之比,A=Ac/(A c原桥。151第6期蔺鹏臻等:单索面矮塔斜拉桥的动力特征参数研究表3矮塔斜拉桥荷载效应影响度随主梁抗弯刚度的变化趋势主梁抗弯刚度I0.500.751.001.502.002.503.005.0010.00f (%31.7622.0017.9413.5010.088.387

12、.545.133.21M t(%21.6916.3013.769.776.665.103.963.082.18M b (%6.244.703.773.052.172.071.511.461.25T (%16.1912.7610.608.016.115.655.213.852.42注:I 为d 模式主梁抗弯刚度与实桥主梁抗弯刚度之比,I =I g /(I g 原桥。212矮塔斜拉桥的动力特征参数为了进一步分析塔高、拉索截面积、主梁的抗弯刚度对矮塔斜拉桥斜拉索的作用效果(不包括拉索初张力的效果的综合影响趋势,在此引入反映单索面矮塔斜拉桥在地震荷载作用下综合特征的参数“矮塔斜拉桥动力特征参数”:=n

13、i =1(E ciAcisin 2i /L ci (E g I g /L 30式中:A ci 、E ci 、L ci 、i 分别为斜拉索的面积、变形模量、长度、倾角;I g 、E g 分别为矮塔斜拉桥主梁截面的平均惯性矩、弹性模量;n 、L 0分别为主跨内同一索塔上的斜拉索根数及其对主梁的影响范围,L 0=L,其中L 为主跨的计算跨度,为边、主跨之比。为索面影响系数,对单索面取1.0。双索面及三索面由于缺乏资料,待后续文章提出。可以看出,集中了塔高、拉索截面积、主梁抗弯刚度的综合影响,其物理意义相当于矮塔斜拉桥的广义索梁刚度比。213矮塔斜拉桥动力特征参数分析用矮塔斜拉桥特征参数表示塔高、拉索

14、截面积、主梁抗弯刚度的变化,将表1表3中b 、c 、d 三种模式下矮塔斜拉桥动力荷载效应影响度随塔高、拉索截面积、主梁的抗弯刚度的变化趋势绘于图25 。图2斜拉索对主梁挠度的影响度f (%从图25可以看出,无论何种模式下f 、M t、M b 、T 随的增大而增大;当<60时,b 、c 、d 三种模式下“斜拉索动力荷载效应影响度(f 、M t 、M b 、T ”与的相关性非常一致。说明矮塔斜拉桥动力特征参数可以反映塔高、索的截面积或主梁的抗弯刚度对矮塔斜拉桥结构动力性能的综合影响;用矮塔斜拉桥动力特征参数比单纯用塔高、索的截面积或主梁的抗弯刚度描述矮塔斜拉桥的动力性能更全面且更合理 。图3

15、斜拉索对主梁塔根弯矩的影响度M t(% 图4斜拉索对主梁跨中弯矩的影响度M b (% 图5斜拉索对索力的影响度T (%T 可以理解为矮塔斜拉桥斜拉索分担的地震荷载的比例。从图5还可以看出,矮塔斜拉桥斜拉索直接承受动力竖向荷载的作用随矮塔斜拉桥特征参数的减小而减小;当<50时斜拉索直接承受地震竖向荷251振动与冲击2006年第25卷载的作用较小(T<10%;当<10时,斜拉索直接承受地震荷载的作用微乎其微(T<5%,可以忽略不计。需要特别说明的是,随的减小T减小,只是说明矮塔斜拉桥斜拉索直接承受竖向荷载的作用降低,斜拉索的动力荷载(包括活载索力幅降低而已,并不是说很小时斜

16、拉索可有可无。这是因为,此时斜拉索初张力的预应力效应对改善主梁的受力性能起着至关重要的作用,此时的索可以理解为仅对梁有加劲作用,这时斜拉索更象是主梁的体外预应力筋2,3,4,更像是连续梁负弯矩区混凝土开裂后的钢筋的作用,给主梁提供轴向压力8。综上所述,随“矮塔斜拉桥动力特征参数”的减小,“斜拉索动力荷载效应影响度”减小。随的减小,从普通斜拉桥到矮塔斜拉桥,斜拉索的作用也从主要直接承受外荷载(动力及静力逐渐过渡到只是通过初张力的预应力效应改善主梁的受力性能。214动力特征参数的比较表4列出了六座单索面斜拉桥“矮塔斜拉桥动力特征参数”及相应的“斜拉索动力荷载效应影响度”。可以看出,“矮塔斜拉桥动力

17、特征参数”与“斜拉索动力荷载效应影响度”的相关性与上述分析基本相符,说明上述结论具有普遍意义。当减小到一定程度后,矮塔斜拉桥斜拉索的作用与普通斜拉桥相比发生了本质的变化。当斜拉桥的(4050可以界定为矮塔斜拉桥。表4几座斜拉桥的动力特征参数对比桥名f/%M t/%M b/%T/%备注小西湖桥(三跨46.2514.311.53.19.89属矮塔范围银湖桥(两跨26.91.749.511.7412.21属矮塔范围战备桥(三跨38.516.35.4213.5110.2属矮塔范围公和桥(两跨38.310.901.0211.33.6属普通斜拉桥3崖门大桥(三跨9148.676.2773.3276.252

18、0.6属普通斜拉桥淇澳大桥(三跨10118.1188.0767.4165.4424.65属普通斜拉桥需要说明的是,对于公和斜拉桥尽管设计按普通斜拉桥设计,但该桥主梁刚度较大,所以该桥的受力性能反映出矮塔斜拉桥的受力性能,所以该桥更符合目前矮塔斜拉桥发展的一种新趋势,即高塔型矮塔斜拉桥(或高塔型部分斜拉桥8。3结论1矮塔斜拉桥动力特征参数可以定量反映矮塔斜拉桥的综合结构动力特性,用比单纯用塔高、索的截面积或主梁的抗弯刚度描述矮塔斜拉桥的结构动力特性更全面且更合理。2可用和T定量界定矮塔斜拉桥;当斜拉桥的(4050,f、M t、M b、T一般不超过20%,此时可以认为是矮塔斜拉桥。3随矮塔斜拉桥特

19、征参数的减小,斜拉索直接承受地震竖向荷载的作用逐渐减小,当<10时,其直接承受荷载的作用微乎其微(T<5%。此时,斜拉索更象是主梁的体外预应力筋。4矮塔斜拉桥特征参数不仅可以综合反映矮塔斜拉桥的动力特性,同时根据作者对两座矮塔斜拉桥的静力性能的分析得出也可很好地反映矮塔斜拉桥的静力特性4,5。从而说明“矮塔斜拉桥特征参数”可综合反映矮塔斜拉桥受力特点,可较好地界定矮塔斜拉桥与普通斜拉桥。5矮塔斜拉桥的动力性能与普通斜拉桥相比有很大差距,主要反映在斜拉索对于荷载的分担比例远小于普通斜拉桥,所以在设计中可利用矮塔斜拉桥的这一特点,当(4050时,结构为矮塔斜拉桥,可按照矮塔斜拉桥的力学

20、特点进行结构优化设计。参考文献1V irl ogeuxM.Recent Evoluti on of Cable-stayed B ridgesJ.Engineering Structures.1999,21:7377552陈亨锦,王凯,李承根.浅谈部分斜拉桥J.桥梁建设, 2002,141(1:44473严国敏.再论部分斜拉桥,兼论多塔斜拉桥C.上海:第十三届全国桥梁学术会议论文集.1998:1781824刘凤奎,蔺鹏臻,陈权,刘世忠.矮塔斜拉桥特征参数研究J.工程力学.2004,21(2:1992035蔺鹏臻,孙红红,刘凤奎.小西湖矮塔斜拉桥特征参数研究J.公路交通科技.2005.22(10

21、:1921956刘凤奎,蔺鹏臻,孙红红.矮塔斜拉桥塔高优化J.铁道工程学报,2003(4:71747陈兴冲,虞庐松等.兰州市小西湖部分斜拉桥抗震分析J.兰州铁道学院学报,2003,22(3:42448陈宝春,彭桂瀚.部分斜拉桥发展综述J.华东公路,2004(3:89969代希华,方世乐等.崖门大桥总体设计与分析J.桥梁建设, 2003(1:1410周孟波主编.斜拉桥手册M.北京:人民交通出版社,2004: 56857011代泽兵,黄金枝等.基于智能阻尼器的大跨度斜拉桥多支承激励地震振动控制J.振动与冲击,2005,24(2:6670351第6期蔺鹏臻等:单索面矮塔斜拉桥的动力特征参数研究681

22、JOURNAL OF V I B RATI O N AND SHOCKVol.25No.62006and testing results sho ws the correctness and the feasibility of the pr oposed vibrati on reducti on platf or m design.Key words:multi2degree2of2freedom(MDOFvibrati on reducti on,vibrati on reducti on p latfor m,numerical si m ula2 ti on,parallel2lin

23、king mechanis mPRO GRAMM I NG O F READ I NG AND W R I T I NG I NTERFACE FO R UN I VERSALF I L ES I N SO FT W ARE FO R MODAL TEST AND ANALY S I SW ang TongZhang L ingm iS hao S hanshan(I nstitute of V ibrati on Engineering,Nanjing University of Aer onautics and A str onautics,Nanjing210016AbstractUni

24、versal file f or mats(UFFf or modal test and analysis are intr oduced.More e mphasis is put on UFF58 and58b,which are the most comp licated and the most popularly used ones.Rules f or p r ogra mm ing of reading and writing interface,es pecial for UFF58and58b,are ex pounded.Moreover,the p r ogra mm i

25、ng idea of scanning bef ore reading is p r oposed f or the reading module,leading t o a higher running efficiency.Several key points in devel op ing the interfaces are menti oned as well.Key words:universal file for mat,p r ogra mm ing,modal test and analysisSTUDY O N DY NAM I C CHARACTER I ST I C P

26、ARAM ETER O F AN EXTRADO SEDCABL E2STAY ED BR I D GE W I TH S I NGL E CABL E PLANEL in PengzhenZhou S h ij unL iu Fengku iZhang Yuanha i(Civil Engineering School,Lanzhou J iaot ong University,Lanzhou730070AbstractAccording t o structural res ponse of a double pyl ons32s pan cable2stayed bridge with

27、single cable p lane un2 der seis m ic l oad,a concep t of“the influence degree of cable dyna m ic l oad effect”is put f or ward and used t o quantitatively analyze real functi on of cables of an extradosed cable2stayed bridge.I n vie w of these analyses,a concep t of“the charac2 teristic para meter

28、of the extradosed cable2stayed bridge”which can co mp rehensively reflect its structural and mechanical p r operties is put for ward.U sing the correlati on bet w een“the influence degree of cable dyna m ic l oad effect”and“the char2 acteristic para meter of the extradosed cable2stayed bridge”,the d

29、yna m ic features of the extradosed cable2stayed bridge are described quantitatively,the conclusi ons are valuable t o further understand dyna m ic p r operties of extradosed cable2stayed bridges.Key words:extradosed cable2stayed bridge,cable2stayed bridge,l oad effect,characteristic para meter, dyna m ic p r opertyUPDAT I NG F