17-润扬大桥北汊斜拉桥的动力分析模型和动力特性的研究
润扬大桥
第一座刚柔相济的组合型桥梁润扬长江公路大桥由北接线、北汊斜拉桥、世业洲互通、南汊悬索桥、南接线、南接线延伸段6个部分组成，其中南汊主桥为主跨长1490米的单孔双铰钢箱梁悬索桥，是目前中国第一、世界第三的特大跨径柔性悬索桥；北汊主桥采用176406176米的三跨双塔双索面钢箱梁刚性斜拉桥。因此，它是我国第一座刚柔相济的组合型桥梁。
润扬大桥
润扬大桥作为“世界第三、中国第一”悬索桥而被载入世界桥梁的史册，润扬大桥工程创下的八项“国内第一”，“代表了当前我国桥梁建设的最高水平”。
第一大跨径润扬大桥是我国第一座由悬索桥和斜拉桥构成的组合型特大桥梁，南汊主桥为悬索桥，北汊桥为斜拉桥。其中，南汊主桥的主跨径长1490米，是目前中国第一、世界第三的特大跨径悬索桥，比目前国内第二、世界第五的江阴大桥主跨还要长105米。
第一大面积钢桥面铺装润扬大桥钢箱梁桥面铺装，是大桥关键线路上的关键技术工程，主要内容包括世业洲引桥试验段的铺设、主桥钢桥面行车道环氧沥青混凝土铺装施工、中央分隔带浇注式沥青混凝土铺设、检修道的彩色橡胶板铺设。润扬大桥钢桥面在全国第一个全部采用环氧沥青铺装，铺装总长度2248米，铺装总面积达70800平方米，近10个标准足球场大小，所用环氧沥青近万吨。北汊斜拉桥行车道铺装仅用了9个有效工作日；南汊悬索桥行车道铺装仅用了12个有效工作日，实现了铺装质量优、安全无事故的目标。
单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工动力特性分析
单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工动力特性分析运用有限元分析软件ANSYS对重庆某大桥最大悬臂状态进行了动力特性的数值模拟分析，得到了结构的自振频率，并对其振型进行描述，对影响结构自振特性的因素进行了研究。
结果表明，主梁刚度的增加有助于提高结构的扭转刚度，增强结构的抗风稳定性。
桥塔及斜拉索刚度的增加有助于提高结构的竖向弯曲刚度及侧弯扭耦合刚度，斜拉索倾角对结构的整体刚度影响较大，辅助墩的设置位置对大桥的抗风稳定性产生较大影响。
研究结果可以为同类桥梁在最大悬臂状态的抗风及抗震设计提供参考。
标签：單索面钢桁梁独塔斜拉桥；ANSYS；最大悬臂状态；动力特性；主梁；斜拉索doi：10.19311/ki.16723198.2016.17.1080引言研究桥梁结构包括自振频率、阻尼和主振型的自振特性是分析斜拉桥动力行为的基础。
结构的动力特性取决于结构的刚度、支撑条件和组成体系等。
研究桥梁结构的动力特性对于桥梁结构的抗风稳定性分析、抗震设计、健康检测和维护都有着重要的意义，同时也是判别桥梁结构是否完整的重要依据。
笔者以重庆市某大桥最大悬臂状态为背景，运用有限元分析软件ANSYS建立该桥的三维有限元模型，对其自振特性进行了分析。
研究探讨了单索面钢桁梁独塔斜拉桥最大悬臂状态自振特性在参数影响下的一般规律，其结果可作为同类桥梁研究和设计工作的参考依据。
1工程背景重庆某大桥南穿渝中区洪崖洞旁沧白路，跨嘉陵江，北接江北区江北城大街南路。
主桥为单塔单索面钢桁梁斜拉桥，跨径布置为88m+3索塔采用天梭形，包括上、中、下塔墩，采用C50混凝土。
2有限元模拟建立与结构实际状况相符的力学模型，是分析大桥在最大悬臂状态的空间动力特性的基础。
计算模型力求在边界条件、质量、刚度上的模拟与实际状况相符。
采用正确的单元来模拟斜拉桥各个主要组成构件是建立大桥最大悬臂状态空间有限元模型的关键。
因此在建立有限元模型时，将主要基于以下原则来选择单元：（1）选取的单元必须能最大程度地模拟结构的受力特性；（2）必须保证计算结果具有足够的精度；（3）有限元模型建立要尽量简便，计算工作量要尽量小，进行结果处理时也要比较方便。
PC斜拉桥加固后的动力特性分析与评价
项目基金：交通运输部西部交通建设科技资助项目(200731822340)。
作者简介：高原(1976-)，女，云南昆明人，硕士，主要从事桥梁、道路工程教学与科研。
1引言目前，中国已成为世界上拥有预应力混凝土斜拉桥(以下简称“PC 斜拉桥”)数量最多的国家之一。
然而，拉索的腐蚀退化和振动疲劳衰减是制约PC 斜拉桥使用寿命的两大因素，已成为结构耐久性的威胁和挑战。
另外，相当一部分PC 斜拉桥在经过一段时间的运营后，结构的线形或内力偏离原设计状态过多，导致结构的混凝土开裂、主跨下挠、局部构件失效等病害。
PC 斜拉桥的加固已成为工程中的热点问题，由此使得各种加固技术不断丰富，也出现了许多新的加固方法。
但是，旧桥加固后评价技术却显得相对滞后，特别是对桥梁加固后的动力特性评价。
自振特性是结构本身固有的、反映桥梁刚度的指标，分析结构加固前后动力特性的变化，并对其动力性能进行评价是PC 斜拉桥加固后评价的重要手段。
笔者结合天津永和大桥的加固工程，在介绍主梁为带分离边箱的半开口截面的大跨漂浮体系PC 斜拉桥自振特性的计算方法基础上，分析加固措施对其动力特性的影响，对加固后的动力特性做出评价，以供参考。
2桥梁概况永和大桥为5孔一联、主孔为跨径260m 、双塔双索面、塔墩固结、连续呈漂浮体系的PC 斜拉桥（如图1），跨径组合为25.15m +99.85m +260m +99.85m +25.15m ，主梁全长512.4m ，大部分主梁节段为预制块件，截面由两侧的三角箱及中间顶板和横隔板组成，属底部呈敞开形式的半开口箱梁断面（如图2），桥面净宽为9＋2×1.0m 。
塔高55.5m ，塔柱斜腿段为型钢骨架混凝土空心柱，主墩为沉井基础，其余墩台为管桩基础，辅助墩设拉力摆索支座。
设计荷载等级为汽-20级，挂-100，人群荷载2.5kN/m 2，于1987年12月建成通车。
2006年7月～2007年2月，该桥进行了加固，其主要措施包括主梁混凝土裂缝封闭、缺陷修补及粘贴碳纤维布、主跨合龙段置换并加固、桥面铺装翻新、全桥换索并调索等。
两种斜拉桥动力特性比较
两种斜拉桥动力特性比较随着斜拉桥跨度的不断增大，结构刚度越来越柔，其在动力荷载作用下的动力特性和结构性能倍受工程界关注。
为获得与真实结构更为接近的动力特性，斜拉桥的动力计算模式的选用至关重要，本文以辰塔公路跨黄浦江大桥为工程背景，对混凝土斜拉桥两种不同的动力模型对结构的动力特性影响进行比较分析，以期为类似工程提供参考经验。
1.工程背景辰塔公路跨黄浦江大桥位于上海市松江区主城区的西南部，基本呈南北走向的辰塔公路上，是辰塔公路（D30 公路）跨越黄浦江横潦泾段的一个重要节点。
大桥为主跨296m的双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，桥梁跨径组合为48+77+296+77+48=546m. 桥面宽度34.6m，H型钢筋混凝土桥塔，承台以上塔高92.2m，桥面以上塔高76m. 主梁标准截面采用预应力混凝土双主肋断面，主梁宽度34.6m，顶面在车行道范围内设2.0% 双向横坡，布索区和人非混行道为平坡。
主梁中心高度2.8m，主梁肋处梁高2.55m，主梁梁高全桥不变。
桥梁总体布置图和主梁横断面尺寸如图1、图2所示.2.动力分析模型斜拉桥的动力分析模型应着重与结构的刚度、质量和边界条件的模拟，使其尽量与实际情况相符。
结构的刚度模拟主要指各构件的轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度的模拟，质量模拟主要指构件和附属物的平动质量和转动质量的模拟。
对于采用双主肋断面的混凝土梁斜拉桥来说，常用的动力分析模型有脊骨梁模型和三主梁模型两种形式。
以下将对这两种动力分析模型作一简要介绍。
2.1脊骨梁模型脊骨梁模型是动力计算中采用较多的一种模式，它将主梁处理为桥纵轴线位置的单根主梁，主梁的轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度和剪切刚度均集中到主梁上，主梁单元的节点与拉索节点采用刚臂进行连接，主梁质量可分配到主梁单元的两端节点上，并通过引入集中质量矩的形式来考虑主梁的扭转惯性。
脊骨梁模型比较好的模拟了原桥面主梁的刚度和质量，但对开口断面形式的主梁的约束扭转刚度不能充分考虑，因此需要对主梁的扭转刚度进行修正。
润扬大桥北锚碇基础三维数值仿真分析_朱晓文
会引入局部误差 , 大桥在施工过程中 , 主缆等对锚
碇施加的拉力总体上是单调加载 , 因此从实用上看
采用非线性弹性模型是 比较合适的. 在利用 AN-
SYS 计算时 , 根据 每步的计算结果 动态地修改弹
性模量和泊松比等也可以实现. 因此根据润扬大桥
北锚基础的岩土工程条件 , 本文采用邓肯 张模型
对土体进行模拟. 在土体应变较小时弹性模量的计
m ode.l K ey w ord s:Runyang bridge;anchorage foundation;fin ite elem ent m ethod;residual stress
润扬大桥位于镇江瓜洲渡口上游 1.5 km 处 , 全长 3.5 km. 其中北汊为跨度 406m 的斜拉桥 , 南 汊为跨度 1 490 m 的悬索 桥 , 为 国内第一 悬索大 桥. 桥的大部分荷载将由主缆承受 , 通过索股与锚 碇架分散传到锚碇上 , 再由锚碇基础传递到地
K
n
87. 4 0. 67
60. 0 0. 58
92. 6 0. 62
165. 5 0. 19
233. 3 0. 70
195. 7 0. 73
— —
G
F
D 弹性模量 /GPa
0.18 0. 09 4. 04
—
0.13 0. 09 4. 98
—
0.16 0. 12 5. 75
—
0.22 0. 08 6. 50
算为
Et
=
1
-
R 2c
f (1 - sinφ)σd 2 co sφ+2σ3 sinφ
E
i
(1)
式中 , E t 为切线弹性模量 ;R f 为破坏比 ;σd =σ1 -
一座异形斜拉桥的动力有限元模型与验证
第36卷第12期振动与冲击JOURNAL OF VIBRATION AND SHOCK Vol.36 No.12 2017一座异形斜拉桥的动力有限元模型与验证李志刚\阳霞2,任伟新2(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，武汉430058; 2.合肥工业大学土木与水利工程学院，合肥230009)辛商要：以一座异形钢结构人行桥为工程背景，探究了一种简洁有效的主梁模拟方法。
给出了建立异形斜拉桥动 力有限元模型的完整步骤;利用环境振动试验测试的模态结果，验证了所建模型的准确性和建模方法的有效性;运用有限 元模型修正技术，对模型参数进行了分析和优化。
结果表明该模型能较真实地反映实桥的动力特性，建模方法有很好的 工程应用价值。
关键词：异形斜拉桥;有限元模型;环境振动试验;有限元模型修正中图分类号：U44 文献标志码： A D01:10. 13465/ k i.jvs. 2017. 12.010Dynamic finite element model and validation of a special-shaped cable-stayed bridgeLI Zhigang1,YANG Xia,REN Weixin(1. CCCC Second Highway Consultants Co. Ltd. , Wuhan 430058, China；2. School of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China)Abstract：Based on a special-shaped steel pedestrian bridge,the finite models of girder were discussed.A concise and effective model of the special-shaped cable-stayed bridge was established and the procedure of finite element modeling was presented.The effectiveness of the finite element model of the bridge was verified by an ambient vibration test.B y use of the finite element model updating m e t h o d,parameters of the finite element model were analyzed and optimized.Result shows that the finite element model can reflect the bridge in dynamic characteristics accurately.T h e modeling method is useful in bridge engineering application.Key words：special-shaped cable-stayed bridge；finite element m o d e l；ambient vibration test；finite element model updating随着异形结构在桥梁工程中的使用程度日益频 繁，桥梁结构分析的要求也不断提高。
润扬长江大桥结构健康监测系统研究_李爱群
第33卷第5期2003年9月东南大学学报(自然科学版)JO UR NAL OF SOUTHEA ST UNIVER SITY (Natural Science Edition)Vol 133No 15Sept.2003润扬长江大桥结构健康监测系统研究李爱群1缪长青1李兆霞1韩晓林1吴胜东2吉 林2杨玉冬2(1东南大学土木工程学院,南京210096)(2江苏省长江公路大桥建设指挥部,镇江212002)摘要:介绍了国家重点工程)))润扬长江大桥结构健康监测系统研究的主要成果,综合评述了大跨桥梁健康监测研究的主要进展和关键问题.主要内容包括:系统的构成、目标和主要子系统的功能、监测项目的确定和布点策略、监测仪器的选择与检测技术分析、桥梁结构状态识别与安全性评估的方法与策略等.文中较为系统地论述了目前大跨桥梁健康监测系统建立与研究中的主要问题,指出了结构健康监测技术、状态识别和可靠性评估的可能技术途径,阐述了大跨桥梁健康监测系统的发展方向.关键词:大跨桥梁;健康监测;安全评估中图分类号:TU311.2 文献标识码:A 文章编号:1001-0505(2003)05-0544-05Health monitoring system for the Runyang Yangtse River BridgeLi Aiqun 1Miao Changqing 1Li Zhaoxia 1Han Xiaolin1Wu Shengdong 2Ji Lin 2Yang Yudong2(1College of Civi l Engi neering,Southeas t Universi ty,Nanji ng 210096,China)(2Cons truction Commanding Department,Jiangsu Provincial Yangtze Ri ver Hi ghway Bridge,Zhenjiang 212002,China)Abstract : The principal achieve ments in the health monitoring system for the Runyang Yangtse River Bridge investigated are introduced.The main progress and problems that existed in the establishment and study of the health monitoring system for long -span bridges are systematically discussed with respect to the composition and objective of the system,functions of main sub -systems,determination of the monitoring items,selection of monitoring instruments,analysis of the inspection technology,status identification and safety evaluation of the bridge.Potential technical approaches to the monitoring technology,status identif-ication and reliability evaluation of structural health monitoring are presented.The development of the health monitoring system for long -span bridges is discussed in detail.Key words : long -span bridge;health monitoring;safe ty evaluation 收稿日期:2003-05-15.作者简介:李爱群(1963)),男,博士,教授,博士生导师,aiqunli@.桥梁在长期的使用过程中难免会发生各种结构损伤,损伤的原因可能是使用、维护不当、车祸事故等人为因素,也可能是环境腐蚀、地震、风暴等自然灾害所致.此外,某些要道上交通量以大大高于预测流量的速度猛增也加剧了桥梁结构的自然老化.这些因素均导致了桥梁承载能力和耐久性的降低,甚至影响到运营的安全.目前开展的采用现代光学、超声波、电磁等技术检测工具对大型结构进行力学性能和工作性能检测的工作,只能提供结构局部的检测和诊断信息,而不能提供整体和全面的全桥结构健康检测和评估信息.近年来,随着大跨桥梁设计的轻柔化以及结构形式与功能的日趋复杂化,为了把握桥梁结构在营运期间的承载能力、营运状态、安全性和耐久性,需要建立桥梁结构健康监测系统[1].润扬长江大桥是由悬索桥和斜拉桥组合而成的特大型缆索支承型桥梁.其中,斜拉桥为三跨(176m+406m+176m)双塔双索面型钢箱梁桥;悬索桥为单跨双铰简支钢箱梁桥,主跨1490m,为中国第一,世界第三.研究和建立润扬长江大桥结构健康监测系统无疑将具有重要的学术价值和现实意义.1 系统构成及功能设立润扬大桥结构健康监测系统,主要是应用现代化的传感技术、测试技术、计算机技术、现代网络通讯通信技术对桥梁的工作环境、桥梁的结构状态、桥梁在车载等各类外部荷载因素作用下的响应进行实时监测和研究[2~7],及时掌握桥梁的结构状态,全面了解桥梁的运营条件及质量退化状况,为桥梁的运营管理、养护维修、可靠性评估以及科学研究提供依据.结构健康监测系统包括硬件和软件2个部分,其中硬件部分包括4个系统,即:传感器系统(sen -sory system);数据采集系统(data acquisition system,DAS);数据通信与传输系统(data communication and transmitting system,DC TS);数据分析和处理系统(data processing and analysis system,DPAS).各系统间通过光纤网络联系而进行运作.结构健康监测系统的构成见图1.图1 结构健康监测系统构成网络结构由网络服务器、PC 机、专用工控机以及各种放大器、传感器等组成.每个网络节点往下由工控机、信号调理器、传感器等构成微型网络,以保证系统的可维护性和扩充性,以便于系统的进一步开发和监测规模的扩大.整个系统采用环状网络结构,以提高系统正常运行的可靠性.1)传感器系统 在整个大桥安装的传感器及有关附件包括风速仪、温度传感器、几何测量系统(位移计、水平仪、倾角仪、ED M/GPS)、应变计、测力传感器、车轴车速仪、加速度传感器,以及信号放大器、调理器等附件.2)数据采集系统 包括安装在大桥箱梁内的数个由微电脑控制的数据采集站.每个采集站是基于PC 机的数据采集和分站.主要功能是收集由传感器传来的数据,进行读数的信号调理、采集数据的初步处理和储存,然后通过光缆传到监测中心的数据处理和分析系统.3)数据通信与传输系统 包括网络操作系统平台、站点的设立、安全监测局域网的网络协议、与其他局域网或主干网的连接.4)数据处理和分析系统 用数台高性能工作站连接桥上数台DAS(根据传感器布置具体情况确定)形成一个计算机网络.工作站安装在大桥监控管理中心,并配置所需的数据显示软件.工作站分别实现采集数据处理、结构监测图形显示、系统控制管理与维护、结构分析评估及专家诊断.润扬长江大桥结构健康监测系统主要包括如下几个方面的功能:¹报告大桥在各种工作环境下的结构载荷变化;º设定日常信道报警系统,用于桥梁的日常运营管理;»报告大桥各主要构件的实际工作状况,为结构维护提供依据;¼报告大桥主要构件有否任何损坏或者累积性的损伤并设立报警系统;½对大桥主要构件有否潜在损坏及其主要构件的剩余使用寿命进行评估;¾对大桥结构的健康状况、结构安全可靠性进行评估.2 主要监测内容对于一座大型桥梁结构,监测项目的选择应尽可能反映桥梁运营期间的结构实际工作状态,并满足政府、桥梁管理部门、维修养护部门和科研单位的有关要求.首先需要确定系统需要获取哪些信息;其次应当结合监测费用,从实用的角度出发,由大量可选监测项目中选取适当项目实施,达到最大费用效益(cos-t benefit)比.对于某些短期测试项目,可以通过专门的检测设备获取需要的数据,需要长期进行检测的项目才有必要列入永久性的监测系统.润扬长江大桥结构健康监测系统除了对大桥的车流量、车辆荷载状况(车载、车速及车流量)、桥址处的气候环境(风速、风向)、地动脉、索塔沉降等进行监测之外,对于南汊悬索桥和北汊斜拉桥要针对结构形式确定项目,进行连续监测.包括:¹南汊悬索桥:主跨纵向、横向、竖向位移;主跨钢箱梁的位移、截面的应力分布、温度等;锚室主缆索股拉力;部分吊索拉力;主跨箱梁和悬吊体系(主缆与吊索)的振动特性;索塔的振动特性.º北汊斜拉545第5期李爱群,等:润扬长江大桥结构健康监测系统研究桥:斜拉索拉力;斜拉索振动;主梁线型;钢箱梁截面内部应力监测;钢箱梁振动;索塔振动.其他项目如混凝土桥面板裂缝、钢梁锈蚀和联接状况、斜拉索防护层、锚固系统和减振装置状况、附属设施状况、伸缩缝变形、辅装层状况等有关监测项目,由桥梁管理和维护部门人员进行的日常检测作为补充.3监测手段和监测仪器的选择1)主梁线形的测量关于主梁线形(竖向、横向、纵向的位移)的监测,目前常用的方法是光电测距(EDM)和GPS方法.光电测距方法主要是通过布置在钢箱梁的菱镜,与测量用的全站仪配合使用,形成光载波通信系统,利用全站仪的红外激光探测功能,对菱镜进行连续监测,测量每个菱镜与全站仪的相对角度和距离,经过系统计算,确定梁的外型和移动情况.但润扬大桥所处的江面较宽,时常出现大风、大雾和雨雪等天气,这些因素会严重影响测量.尤其是对于主跨1490m的南汊悬索桥,这些影响更为明显.而采用GPS技术进行主梁线形的监测可以避免以上问题.从目前的仪器和软件性能看,GPS采用实时差分进行动态测量的定位精度可达毫米级,经过系统集成和二次开发,完全可以用于大型工程结构的微量测量.对于润扬长江大桥南汊桥在主跨中间和四分点处的两侧共设6个测点,GPS接收机用特制的密封盒固定在箱梁外侧底板边缘处.斜拉桥亦采用GPS技术进行线形测量,在斜拉桥上分别设8个测点(主跨跨中和四分点处共6个测点,索塔各一个测点).2)大桥钢索索力的监测大桥钢索索力状态(悬索桥主缆、吊索、斜拉索等)是衡量大桥是否处于正常运行状态的一个重要标志.通过对索力的监测,不仅能为从总体上评估大桥的安全性和耐久性提供依据,同时也能检测钢索的锚固系统和防护系统是否完好、钢索是否锈蚀等.目前,可采用光纤传感器、电阻应变仪、钢丝振弦应变仪、磁致弹性测力仪、振动方法等进行缆索拉力的测量或监测.主缆对悬索桥的结构安全至关重要,而且不可更换.采用磁致弹性测力仪的直接方法进行连续监测,同时采用振动方法进行间接检测,确保检测的可靠性.监测点设在4个锚室内,分别在每个锚室的上端、下端、左侧、右侧、中间索股进行主缆内力监测.对于吊索内力的监测采用压力盒和荷载销,为了不影响结构设计的变更可以采用荷载销.斜拉索索力的监测主要用振动方法测量索的自振频率和振型,利用有关的索力公式推算斜拉索的拉力.监测索的选取根据结构静动力分析和结构设计要素确定.3)振动监测桥梁结构的受损和安全性降低主要是由于桥梁主要构件和结构的疲劳损伤的累积结果,而桥梁结构疲劳损伤主要是由于动荷载作用下的交变应力作用的结果.对于悬吊支承结构的桥梁,其悬吊体系(悬索桥的主缆和吊索、斜拉桥的斜拉索)不仅影响主梁结构的动力特性和受力特性,而且其本身在交变应力与环境腐蚀的相互作用下是导致疲劳和锈蚀损伤扩展的重要原因之一.结构的整体性能改变时,其模态参数(如频率、振型等)也会发生相应的变化.通过对悬索桥主缆和吊索、斜拉桥斜拉索的振动特性的连续监测,可以考察悬索桥缆索系统以及斜拉桥的疲劳响应,进而考察结构的安全可靠性.主梁结构的动态响应往往与引起整体振动的强振源相联系,因此,通过对索塔和主梁振动的监测,不仅可以识别主梁结构的动态特性参数,还可以实现对主梁结构承受波动载荷历程的记录.振动特性的监测可采用加速度传感器来实现,但是由于索塔、钢箱梁、主缆、吊索、斜拉索各自的固有振动特性不同,因此在选择传感器时要充分考虑传感器的技术性能(频率范围、灵敏度、采样特性等).4)主梁应力监测监测主梁应力的目的在于通过对主梁结构的控制部位和重点部位内力的监测,研究主梁结构的内力分布、局部结构及连结处在各种载荷下的响应,为结构损伤识别、疲劳损伤寿命评估和结构状态评估提供依据.同时,通过控制点上的应力和应变状态的变异,检查结构是否有损坏或潜在损坏的状态.一般的应力应变监测采用电阻应变传感器,但电阻式应变仪的零漂、接触电阻变化以及温漂等给系统带来一定的误差.且电阻式应变传感器的寿命较短,故从长期监测和信号传输等方面考虑,宜采用(或部分采用)适合长期监测用的光纤传感器.润扬长江大桥结构健康监测系统设计中采用了光纤传感器与电测方法相结合的应力应变监测方法.5)温度监测通过对桥梁温度场分布状况的监测,可为桥梁546东南大学学报(自然科学版)第33卷设计中温度影响的计算分析提供原始依据.对不同温度状态下桥梁的工作状态变化,如桥梁变形、应力变化等进行比较和定量分析,对于桥梁设计理论的验证和完善均有积极意义.温度传感器在桥梁上沿主梁横断面布置.在系统中采用数字式温度传感器,构成的单线多点温度测量系统进行桥梁结构温度分布状况的监测.各温度传感器以并联方式与网络节点连接,通过网络总线实现与计算机进行通信、对温度的自动远程监测.润扬大桥斜拉桥和悬索桥结构健康监测系统测点布置图分别见图2和图3.图2 润扬大桥斜拉桥结构健康监测系统测点布置图(单位:mm)Acc )加速度传感器(80个);Str )应变传感器(60个);Ane )风速仪(1个);T )温度传感器(24个);GPS )GPS 站点(8个)图3 润扬大桥悬索桥结构健康监测系统测点布置图(单位:mm)Acc )加速度传感器(93个);Str )应变传感器(72个);Ane )风速仪(1个);T )温度传感器(40个);GPS )GPS 站点(8个)4 桥梁结构状态识别与安全性评估结构状态识别和安全性评估由数据分析处理子系统实现,子系统包括4个模块:监测数据处理模块、报警与诊断模块、安全性分析模块、监测数据综合管理模块.各个模块功能如下:1)监测数据处理模块 对经过预处理的监测数据进行分析,确定各种载荷和环境因素作用下的结构参数(位移、内力、模态参数等)变化.2)报警与诊断模块 应用试验模态分析方法实现对结构区域异常状态诊断;通过结构局部分析和损伤检测结合进行结构局部损伤诊断和定位;根547第5期李爱群,等:润扬长江大桥结构健康监测系统研究据不同警报值进行超界报警.3)安全性分析模块承载能力和变形能力(包括稳定性)分析;疲劳寿命分析(累积损伤、结构材料物理力学性能的变化、结构剩余承载力);安全性评价和状态评估(耐久性分析、结构安全性评价、结构状态、结构维护指引).4)综合监测数据处理模块分析结果归纳、存储;数据综合分析并以图形等方式显示;运营状态评价和养护管理方案.5结语润扬长江大桥健康监测系统是由传感测试、网络传输、结构分析等多种技术集成的系统,系统的正常运行依赖于传感器系统的准确性、网络传输系统的耐用性和可靠性、结构分析方法及软件的正确性,因此,必须定期对传感器、网络系统、结构分析模型和分析软件等进行检测、维护和校订.关于大跨桥梁健康监测还有许多问题需要进行探索研究,尤其是在损伤识别、状态识别与安全性评估方面.这主要是由于:¹桥梁结构及其工作环境的复杂性和不确定性对结构模态响应的灵敏性造成了不利的影响,导致了目前桥梁整体监测与评估的困难;º根据大型结构的监测数据反演其结构健康状态和可能的结构损伤,是一个复杂结构体系在不完善条件下的反问题,结构的状态反演、损伤识别和状态评估尚有待深入研究;»对大跨桥梁在使用年限内工作特性的变化缺乏全面深入的研究,难以建立客观统一的桥梁结构状态评估标准.结构健康监测是当前国内外土木工程学科的热点研究领域,涉及土木工程、力学、测试技术、计算机、图形学、通信等多门学科.结构健康监测研究工作的持续开展必将为重大重点工程的结构安全和正常工作提供科学的理论依据、技术导引和监控措施.参考文献(References)[1]Wang B S,Liang X B,Ni Y Q,et parative study ofdamage indices in application to a ling-span suspension bridge[A].In:Ko J M,Xu Y L,eds.Procee dings o f the Inte r na-tional Con f e rence on Advances in Structural Dynamics[C].Hong Kong:the Hongkong Polytechnic University,2000.10851092.[2]张启伟,范立础.利用动静力测量数据的桥梁结构损伤识别[J].同济大学学报,1998,26(5):528532.Zhang Qi wei,Fan Lichu.Damage detection for bridge struc-tures based on dynamic and static measurements[J].Jour-nal of Ton gji Un iversity,1998,26(5):528532.(in Ch-i nese)[3]Stubbs N,Ki m J T.Damage localization in structures wi thoutbaseline model parameters[J].AIAA J,1996,34(8):16441649.[4]Salawu O S.Detection of structural damage through changesi n frequency:a review[J].Engineering Structures,1997,19(9):718723.[5]Doebling S W,Farrar C R,Prime M B,et al.A review ofdamage identification methods that examine changes in dy-namic properties[J].Shock an d Vibration Dig,1998,30(2):91105.[6]Banan M R,Hjelmstad K D.Parameter esti mation of struc-tures from static response[J].Journal of Structural Engi-neerin g,1994,120(11):32433283.[7]Hjelmstad K D,Shin S.Damage detection and assessmen t ofstructures from static response[J].Journal o f Engineering Mechanics,1997,123(6):568576.548东南大学学报(自然科学版)第33卷。
斜拉桥有限元动力分析
斜拉桥有限元动力分析发表时间：2019-04-28T09:05:58.047Z 来源：《基层建设》2019年第6期作者：李森[导读] 摘要：本文利用迈达斯Civil软件对某斜拉桥进行动力分析，具体包括模态分析、谱反应分析和地震时程分析，基于二水准、两阶段设计的抗震设防思想，经过计算在E1和E2地震荷载作用下，桥梁各构件均能满足抗震规范要求。
广州大学土木工程学院广东广州 510006摘要：本文利用迈达斯Civil软件对某斜拉桥进行动力分析，具体包括模态分析、谱反应分析和地震时程分析，基于二水准、两阶段设计的抗震设防思想，经过计算在E1和E2地震荷载作用下，桥梁各构件均能满足抗震规范要求。
关键词：斜拉桥、模态、谱反应、时程Dynamic analysis of cable-stayed bridge with FEALi Sen(Guangzhou University，Guangzhou 510006 China)Abstract: The dynamic analysis of a cable-stayed bridge with Midas Civil was conducted, including modal analysis, spectral response analysis and seismic time-history analysis, based on the two-level, two-stage design of seismic protection method, after calculation in the E1 and E2 earthquake load, each component of the bridge can meet the requirements of seismic code.Keywords: midas, cable-stayed bridge, modal, spectral response, time history在动力荷载作用下，桥梁的安全性问题不容忽视。
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交通运输工程与信息学报第4卷第1期2006 年 3 月Journal of Transportation Engineering and InformationNo.1 Vo1.4 Mar.2006润扬大桥北汊斜拉桥的 动力分析模型和动力特性的研究刘 云 钱振东东南大学，智能运输系统研究中心，南京 210096摘 要：本文使用有限元分析软件 MIDAS 建立了润扬大桥北汊斜拉桥的三维有限元动力计算模型，分析斜拉桥动力特性。
本文采用了单主梁模型简化桥面系结构，输入加劲梁回转质量以便能更准确地计算结构的 扭转振型，使用弹性连接单元模拟了抗风支座。
通过动力计算得出大桥的自振频率和振型，分析振型参与 质量表格表明应使尽可能多的振型参与动力计算。
研究成果为润扬大桥北汊斜拉桥的动力测试提供了理论 计算数据。
关键词：MIDAS；动力特性；斜拉桥；自振频率 中图分类号：U441 文章编号：A 文章编号：1672-4747(2006)01-0099-06Research on the Analytical Model and Dynamic Characteristics of the Cable-Stayed Bridge of Runyang BridgeLIU Yun QIAN Zhen-dongIntelligent Transport System Research Center， Southeast University，Nanjing 210096，ChinaAbstract：A three-dimension FE model of the cable-stayed bridge for the North branch of Runyang Bridge was firstly established with the program of MIDAS. Single-girder model have been adopted to simplify the bridge deck system. Adding rotational mass to the nodes of the main girder was to calculate the torsion modes more exactly. Wind-resisting support was simulated by using resilient coupling element. Then， free vibration analysis of the收稿日期：2005-04-12. 基金项目：东南大学优秀青年教师资助计划资助。
作者姓名：刘 云（1981-） ，男，江苏南京人，东南大学交通学院硕士研究生，专业方向：道路与铁道工程。
99交通运输工程与信息学报2006 年第1期bridge is carried out by MIDAS， and the natural frequency and mode shapes of the bridge were obtained. According to the computation result， more vibration types should be included in the dynamic calculation. The research results can provide the calculation data for the dynamic test of the North branch of Runyang Bridge. Key words：MIDAS，dynamic characteristic，cable-stayed bridge，natural frequency0引言润扬长江公路大桥北汊斜拉桥是一座跨径组合 为 175.4 m + 406 m + 175.4 m 的三跨双索面钢箱梁斜近年来， 大跨径斜拉桥建设发展得极为迅速。
然 而，随着斜拉桥向长、轻、柔方向发展，它对行车荷 载、风荷载、地震荷载等动力荷载更趋敏感，因此， 对大跨径斜拉桥而言， 除了需要较准确地了解其静力 特性外，还要进一步研究其动力特性 。
斜拉桥的动 力特性分析是研究斜拉桥动力行为的基础， 其自振特 性决定其动力反应的特性， 分析斜拉桥自振特性意义 重大。
国内外关于斜拉桥的有限元动力分析模型的建 立以及动力特性的计算已有了不少成果： 华南理工大 学的苏成、 韩大建等人提出了一种适用于叠合梁桥面 系的新型双主梁模型， 该模型既保证了桥面系刚度系 统和质量系统的等效性， 又使模型的节点数和单元数 维持在一个较少的水平，提高了计算效率 ；苏成等 人还采用了双三主梁模型模拟了香港汀九大桥的桥 面系，两个三主梁模型通过连接横梁联系在一起，三 主梁模型正确地考虑了约束扭转刚度， 但该模型节点 和单元数较多，不便于计算 [3]；铁道部大桥工程局勘 测设计院的李龙安罗列出部分大跨度桥梁的结构特 性和自振频率， 给出大跨度桥梁自振频率的近似经验 公式，推导了大跨度斜拉桥基频的简化计算公式 ； Wilson[5]提出了一种斜拉桥线性动力分析的有限单元 模型，发现计算结果与脉动试验值吻合得较好，认为 无需考虑结构的非线性动力特性；Fleming、Egesel[7] [6] [4] [2] [1]拉桥。
主梁采用扁平流线型钢箱梁，梁高 3 m，全宽 37.4 m；索塔采用花瓶形钢筋混凝土塔柱，桥面以上 呈倒 Y 形，下塔柱呈 V 形，每个桥塔塔柱间设三根 横梁连接， 主桥索塔和过渡墩基础均采用钻孔灌注桩 基础。
运用有限元法把结构离散成梁、 桁架单元等各种 单元，不但容易，而且能够准确地求出结构振型和频 率，而且可以考虑结构的细节变化。
本文应用大型有 限元分析程序 MIDAS 建立了润扬大桥北汊斜拉桥的 三维有限元简化计算模型， 并对其进行了特征值模态 分析。
大桥的建模可以为同类桥梁的动力分析提供有 益的思路， 计算结果为润扬大桥北汊桥动力测试提供 理论计算数据。
1空间有限元建模以及刚度系统的 模拟大跨径斜拉桥三维有限元动力模型的建立需要考虑结构的刚度、质量和边界条件等的模拟问题。
在 建立动力模型时，主要是对桥塔、基础、斜拉索和桥 面系进行模拟 [2]。
1.1 桥面系的模拟 现有的桥面系模型有单主梁模型、 ∏形模型、 双 主梁模型和三主梁模型。
考虑到结构分析的目的不同 则所选择的有限元单元和建模方式就不同。
如果分析 的目的是计算结构的固有振型， 则可以简化结构的计 算模型， 为了防止由于局部振型而影响结构的分析精 度，通常简化结构的数学模型。
特别是在结构的初步 设计阶段，重点放在计算整体结构的刚度上。
基于以 上的原因，本文的主梁采用单主梁模型。
润扬大桥北和 Abdel-Ghaff 曾对斜拉桥做过大量的线性和非线 性分析， 认为用线性理论分析得到的结果是可以接受 的；以前，梁的支撑与联接简化为刚性联接，1991 年 Nazmy[8]和 Wilson[5]分别提出了弹性联接模型； M J Caicedo 分别论述了用鱼骨梁模型和 C 形截面模型 两种有限元模型计算斜拉桥自振频率的区别。
[9]100润扬大桥北汊斜拉桥的动力分析模型和动力特性的研究刘云 等汊斜拉桥的主梁截面是全焊扁平流线形封闭钢箱梁，如图 1 所示。
图1 Fig.1润扬大桥北汊斜拉桥主梁截面Main beam intersection of the North branch of Runyang Bridge1.2其它结构的模拟 在建模时仅模拟桥面铺装的质量， 而不模拟其刚之间建立刚性连接， 约束主梁和拉索之间的相对几何 移动。
一端固定在主梁中心线上，另一端为索的锚固 点，其中，主梁上的刚性连接节点为主节点，索锚固 点为从属节点。
主从节点在整体坐标系 X、Y、Z 轴 方向的位移和沿 X、Y、Z 轴旋转的转角位移都相互 约束。
索塔和过渡墩底部均为固结，节点的六个自由 度都被约束。
1.4 质量系统的模拟 由于单主梁模型是采用集中质量法计算其质量 分布，考虑到更准确地计算扭转振型，使单主梁模型 质量分布均匀， 通过输入主梁节点回转质量改良其质 量刚度矩阵，以达到更准确地计算结构的动力特性。
润扬大桥北汊斜拉桥简化模型建立后， 共有 260 个节点，250 个单元，其中主梁单元 56 个，桥塔单 元 80 个，拉索桁架单元 104 个。
全桥模型见图 2。
度。
桥面铺装对主梁的作用考虑在二期恒载中。
桥塔用梁单元模拟，塔柱截面分为上、中、下 三种，下塔柱为变截面梁。
桥塔三根横梁也采用梁 单元模拟，斜拉索用桁架单元模拟，过渡墩用梁单 元模拟。
1.3 边界条件的模拟 索塔处设有竖向支座和横向抗风支座， 本文用弹 性连接单元模拟竖向支承及横向抗风支座。
虽然，对 两个节点可以利用桁架单元或梁单元连接， 但这些单 元不能充分反映各轴向及旋转方向的刚度。
弹性连接 单元可反映三个轴向位移刚度值和三个沿轴向旋转 的转角刚度值， 本模型在横桥向和竖向位移刚度值设 置成完全约束，纵桥向设置成部分约束。
主梁与拉索图2 Fig.2润扬大桥北汊斜拉桥三维有限元动力分析模型Three-dimention finite element dynamic model of the North branch of Runyan Bridge2动力特性分析求解非阻尼自由振动条件下的振型和固有周期的特征方程式如下：2 [ K ]{φn } = ω n [ M ]{φ n }（1）式中： [K]为结构的刚度矩阵； [M]为结构的质量矩阵；101交通运输工程与信息学报2006 年第1期ωn2 为第 n 阶振型的特征值；{φn}为第 n 阶振型向量。
本文使用子空间迭代法[11]拉桥的前 50 阶自振频率及其主振型。
在表 1 中列出 了前 15 阶频率和周期，在图 3 中给出了斜拉桥前 8 阶的振型图。
求解特征值方程， 选择参加计算的频率数量为 50，迭代次数为 20。
得出斜表1 Tab.1序 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 号斜拉桥的自振频率和周期Free vibration frequency and the vibration cycle of the cable-stayed bridge频 率/Hz 0.270 0.366 0.582 0.613 0.626 0.693 0.721 0.754 0.836 0.920 0.992 0.999 1.005 1.094 1.307 周 期/s 振型主要特点 桥面竖弯 桥面竖弯 桥面跨中段侧弯 桥面竖弯 桥面竖弯 双塔反向侧弯和桥面侧弯 桥面竖弯 双塔同向侧弯和桥面侧弯 桥面竖弯 双塔同向侧弯和桥面扭转 桥面扭转 桥面竖弯 双塔同向侧弯和桥面扭转 桥面竖弯 桥面竖弯3.700 2.730 1.720 1.632 1.599 1.443 1.387 1.325 1.196 1.087 1.008 1.001 0.995 0.914 0.765（1）桥面竖弯（2）桥面竖弯（3）桥面跨中段侧弯（4）桥面竖弯（5）桥面竖弯（6）双塔反向侧弯和桥面侧弯102润扬大桥北汊斜拉桥的动力分析模型和动力特性的研究刘云 等（7）桥面竖弯（8）双塔同向侧弯和桥面侧弯图3 Fig.3润扬大桥北汊斜拉桥的各阶振型All the vibration types of the North branch of Runyang cable-stayed bridge从表 1 的计算结果来看， 润扬北汊斜拉桥的前几 阶振型主要以桥面竖弯为主， 没有出现明显的扭转振 型，是一种长周期结构，大于一般结构的周期。