法朗沟特大桥稳定性分析报告

在桥梁结构设计与分析研究中，强度验算是最基本的和必不可少的，但随着桥梁 跨径的不断增大、桥塔（墩）高度的不断增加以及高强材料的应用，稳定问题显 得比以往更加突出。 目前，国内的高墩大跨连续刚构桥梁越来越多，在设计不能仅仅用第一类稳 定分析中的一阶失稳临界荷载作为保证结构安全性的依据， 有必要对结构进行考 虑几何非线性和材料非线性的二类稳定分析。
8
(a) 模态 1 横向失稳 图 4-1
(b) 模态 2 纵向失稳 工况 1 屈曲模态
表 4-1 最大悬臂状态一类稳定安全系数 计算工况 工况 1 工况 2 工况 3 一类稳定系数 10.987 10.991 10.991 屈曲模态 横向失稳 横向失稳 横向失稳
从一类稳定结果可以看出，每种工况下，结构都是产生横桥向失稳。其中最 不利的荷载情况为工况 1。因此，应更注意此工况的稳定。
结构动力特性........................................................................................................................... 5 3.1 3.2 施工阶段（最大双悬臂状态） ................................................................................... 6 成桥阶段....................................................................................................................... 7
法郎沟特大桥稳定分析报告
2011.12.26
目录
1 2 前言........................................................................................................................................... 3 工程概况及有限元模型 ........................................................................................................... 3 2.1 2.2 2.3 3 工程概况....................................................................................................................... 3 荷载计算参数 ............................................................................................................... 3 有限元模型的建立 ....................................................................................................... 4
2
工程概况及有限元模型
2.1 工程概况
厦门至成都公路贵州境毕节至生机（黔川界）段高速公路工程第 8 合同段 (（K75+530～K80+215）法郎沟特大桥是整体式路基段上的一座特大桥，横跨法 郎沟，按上下行线分幅独立设计。桥梁中心里程桩号为 K76+002.5，桥梁起讫桩 号 K75+661.0 ～ K76+344.0 ， 全 长 683.0m ， 桥 梁 上 部 构 造 跨 径 组 合 为 (125+225+125)m+5×40m,主桥采用预应力砼连续刚构， 引桥预应力砼 T 梁采用先 简支后结构连续体系。桥梁下部构造主桥桥墩采用薄壁空心墩配桩基础，过渡墩 采用薄壁空心墩配桩基础；引桥桥墩采用实心墩配桩基础，桥台采用重力式 U 台配扩大基础、桩基础。
2.2 荷载计算参数
（1） 恒载 一期恒载：主梁、桥墩结构自重； 二期恒载：7.0 t/m。 （2） 活载 公路 I 级 （3） 施工荷载 最大悬臂段挂篮突然坠落
3
（4） 风荷载 按照《公路桥梁抗风设计规范》中的规定，对结构施加风荷载。
2.3 有限元模型的建立
结构的有限元模型采用大型通用有限元分析软件 ANSYS 建立，在 ANSYS 中模拟各种现实构件的单元种类丰富，单元的选择直接决定了分析结果的可靠 性。在选取单元时，是这样考虑的：梁单元具有传力明确、建模简单，并且能自 定义截面等优点；因此，本文分别选取梁单元 BEAM188 建立了大桥的有限元模 型。 在有限元模型中，变截面梁和墩均采用离散的等截面 2 结点空间梁单元 BEAM188 来逐段模拟， 该单元基于 Timoshenko 梁理论， 每个结点有 6 个自由度， 并考虑梁的翘曲自由度和剪切变形。同时，通过设定还可以考虑结构的几何非线 性和材料非线性。 模型中边界条件处理为：在施工阶段，选取一号墩最大双悬臂状态，所有双 肢墩底部固结于承台顶， 各桥墩墩顶与箱梁底部刚结， 梁两端自由； 在成桥阶段， 只考虑主桥部分，各主桥墩底部固结于承台顶，桥墩顶部与箱梁底部刚结。主梁 均采用梁模型建立。边界条件见表 2-1。 最大悬臂施工阶段和成桥阶段的有限元模型如图 2-1~图 2-2 所示。施工双悬 臂状态选取 1#墩进行分析。成桥状态选取左线主桥进行分析。结构的有限元模 型见图 2-1 和图 2-2。
5
Power Dynamics 法、Unsymmetric 法、QR Damped 法等。前三种方法一般使用较 为广泛。本文采用子空间迭代法对法郎沟特大桥在施工、成桥两阶段进行动力特 性分析。
3.1 施工阶段（最大双悬臂状态）
为了分析所建立施工阶段（最大双悬臂状态）模型的动力特性，验证模型的 正确性，在模态分析中，均采用子空间迭代法对施工阶段进行了分析，对应的前 3 阶振型如图 3-1 所示。动力特性见表 3-1。
注：△x、△y、△z：分别表示沿纵桥向、横桥向、竖桥向的线位移，θx、θy、θz 分别 表示绕纵桥向、横桥向、竖桥向的转角位移，1—约束，0—放松。
3
结构动力特性
结构的动力特性是结构系统本身固有的特性，包括周期（频率）及其相对应
的振型。结构的动力特性能够较好的反应结构的刚度，对结构的稳定分析结果有 一定的参考意义。求解大跨度桥梁结构动力特性的方法很多，在 ANSYS 中通常 有子空间迭代法（Subspace） 、兰索斯法（Block lanczos） 、缩减法（Reduced） 、
(a) 模态 1
(b) 模态 2
(c) 模态 3 图 3-1 施工阶段振型
表 3-1 施工阶段动力特性 模态 振形 频率
6
1 2 3
主梁相对主墩旋转 平面内纵桥向摆动 平面外横桥向摆动
0.115 0.176 0.178
3.2 成桥阶段
在成桥阶段模态分析中， 两类模型对应的前 2 阶振型如图 3-2 所示。 自振频 率见
图 2-1 施工最大悬臂端有限元模型
4
图 2-2 成桥状态有限元模型 表 2-1 部位 0#桥台 1#墩底 2#墩底 3#墩 墩梁交接处 墩底 成桥状态和施工阶段结构各部位边界条件 成桥状态 △x 0 1 1 0 1 △y 1 1 1 1 1 △z 1 1 1 1 1 θx 1 1 1 1 1 θy 0 1 1 0 1 θz 0 1 1 0 1 △x / / 1 / / △y / / 1 / / 施工阶段 △z / / 1 / / θx / / 1 / / θy / / 1 / / θz / / 1 / /
6
结论......................................................................................................................................... 16
1
前言
稳定问题是力学问题中的一个重要分支，也是桥梁工程中经常遇到的问题。
5
第二类稳定分析..................................................................................................................... 10 5.1 5.2 施工阶段（最大双悬臂状态） ................................................................................. 12 成桥阶段..................................................................................................................... 14
4
第一类稳定分析....................................................................................................................... 8 4.1 4.2 施工阶段（最大双悬臂状态） ................................................................................... 8 成桥阶段....................................................................................................................... 9