劲性骨架钢管混凝土拱桥动力响应分析_杨光强

1 / 2跨上弦弯矩时程曲线一
力的 峰 值 位 置 一 般 出现在 1/4 跨、 1 /2 跨 位 置 附 近, 在 表 中以 置 荷载作用位 标 识, 表 示 动
波 动 的 反 应 比 较 灵 敏。 总体而 言 当车 辆以 一定
力放 大 系 数 是 从 该 位置 附 近 有 限 范 围
图 8 1 / 2跨上弦弯矩时程曲线二
图 4 1 /4 跨挠度时程曲线二 图 3 1 /4 跨挠度时程曲线一 图 2 1 /2 跨挠度时程曲线二
集中力 作 用于 桥面 板中 间 并 以 不 同 的 速 度 10 m /s 、 20 m / s 从 左 向 右 移动。同 时计 算 一工 况 关闭动 态 积分 效 应 , 作 一多荷 载 步的 静态 分析 作为影 响 线分 析 , 用 来 与动态 分 析作 比 较。考 虑到加 单 位荷 载 时 , 在 积分计 算 中精 度会 受到 损失的 问 题 , 因 此取 集 中 力为 500 kN, 即为一 辆重车 的 重量 加 载。在 不同荷 载 移动 速度 通过 桥面时 的 动态 时程 反应 以及与 影 响线 的比 较分 析见 图 1 ~ 图 12。因 图 中将不 同 速度 的时 程曲 线放到同一图中 , 因此
图 5 1 / 2跨上弦轴力时程曲线一 节点 位置 1 /4 跨 1 /2 跨 荷载作用 位 置 1 / 4跨 1 / 2跨
程
结
构
时,
1 /2 跨、 1 /4 跨位置处的挠度时间历程曲线在影 响线位
置附近有明显波 动。说明 当车 辆以一 定的 速度 过桥时 动力 效应还是比较明显的 , 且速度越 大动力效应也越大。
【 中图分类号 】 TU 311 3 州河大桥为 连接 重庆和 达州 的高速 公路 桥梁 , 设 计为 钢管混凝土劲性骨架 中承式拱桥 , 净跨径 160 m, 矢跨比为 1 /3 5 的圆弧线 , 拱轴半径 94 607 m, 计算跨径 163 015 m, 计算矢高 45 714 m, 桁高 3 5m, 桥 梁全长 171 2 m。拱肋 为钢管混凝土劲 性骨 架组成 的桁 架结构 , 全桥 共分 3 片拱 肋。中间拱肋为上下各三根 351 8, 内灌 C40 和外包 C50 混凝土的钢管混凝土弦杆 , 边拱肋 为上下各 两根 351 8, 内灌 C40 和外包 C50 混凝 土的钢 管混凝 土弦杆。吊 杆 ( 立 柱 ) 间距为 10 m 和 10 2 m, 布置为 3 + 3 10 2 m。 10 2 m + 11 10 m
工
程
结
构
劲性骨架钢管混凝土拱桥动力响应分析
杨光强, 邓晓红
( 贵州省交通规划勘察设计研究院, 贵州贵阳 550000)
【 摘 要 】 以州河大桥为背景 , 对劲性骨架钢 管混凝 土拱桥 在汽车 荷载作 用下的动 力响应 作了较 为深 入的研 究 , 为今后劲性骨架钢管混凝土拱桥的设计提供了一 定的理论依据 。 【 关键词 】 劲性骨架 ; 钢管混凝土 ; 拱桥 ; 动力响应 【 文献标识码 】 A
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表 2 跨中上弦杆动力放大系数 节点 位置 轴力 剪力 弯距 荷载作用 位 置 1 / 4跨 1 / 2跨 1 /2跨左 1 / 4跨 1 / 2跨 1 0005 0010 0006 0031 9972 荷载移动速度 ( m / s) 5 10 15 1 0183 1 0341 0 9974 1 0055 1 0281 1 0439 1 0165 1 0209 1 0135 1 0053 1 0115 0 9965 0 9986 1 0169 0 9994 20 9950 0360 9610 9473 9759
内填型圆钢管混 凝土随 着轴力 N 的 增大 , 混凝土 的泊 松比 c 迅速超过钢管的泊松比 s, 使得 混凝土的 径向变形 受到钢管的约束而处 于三向受力状态 , 其承 载力大大 提高。 同时钢管的套箍 作用 大大提 高了 混凝土 的塑 性性 能 , 使得 混凝土的 弱 点得 到 克服 , 另 一 方面 , 混 凝土 填 于钢 管 内 , 增强了管壁 稳定性 , 刚度大 于钢 结构 , 使 其整体 稳定 性有 了极大的提高。 桥跨结构的动 力响应 分析 的内容 是在 特定 的动荷 载下 结构的变形、受 力时 间历程 反应 , 并 在此 基础上 分析 动荷 载对于特定结构的 动力 效应等 [ 2] 。本 文分 析其 在移动 荷载 通过桥面时、以及 冲击荷 载作 用下的 时程 反应 和动力 效应 系数。 桥跨结构主 要承受 的动 荷载是 车辆 荷载 , 在 现行 的设 计规范中是按照车 辆的重 量乘 以冲击 系数 后作 为静载 施加 到桥跨结构 上。为简 便 , 在设 计中往 往采 用在桥 梁动 载试 验的基础上引入 冲击 系数的 近似 计算公 式。规 范中的 冲击 系数常用的形式为 : 1+ , 为按照结构基频由规范 求得。 钢管混凝土拱桥 的冲 击系数 是参 照其他 桥梁 而取 值的。从 桥跨结构的动力 响应 分析角 度而 言 , 冲击 系数 源于三 个方 面 : 理想的移动 荷载 作用桥 面引 起桥跨 结构 的振 动 , 引起 动力放大 ; 车辆自 身的振 动使 其加载 在桥 面上 的力也 有一 定的波动 ; 实际的桥面不平整 引起车辆跳动 引起冲击 作用。 对于公路桥 梁 , 车辆 的质量 远小 于桥跨 结构 的质 量 , 因此 车辆的质量对车 桥耦 合振动 的影 响较小 , 可忽 略其影 响从 而使动力分析大为 简化 [ 3] 。通 过对劲 性骨 架钢 管混凝 土拱 桥进行动力响应 分析 , 可 为以 后设计 工作 提供 一定的 理论 依据。移动荷载通过桥面的动 力响应分析如下。
2 匀速移动荷载 过桥 的动 力放 大 效应分析
为了 进 一 步 讨 论其 动 力 放 大 的 具
图 6 1 / 2跨上弦轴力时程曲线二
1 1 1 1 0
0 1 0 0 0
( 2) 截面 内力 动力 效应 : 从图 5~ 图 12 中可见, 当 荷载的速度在 10 m / s 以 上 时, 1 /2 跨及拱 脚位置 处的内 力 时间 历程 曲线 在影响 线 位置 附近 有明 显波动 , 轴力时程曲线在 极值处 的 振动 要比 其他 峰值处要稍小; 而从弯矩 的时程 图 中可 见即 使荷 载的移 动 速度 很小 也会 引起明显的振动 , 这也是 由于弯矩的量值较小 , 对
1 匀速移动荷 载过 桥的瞬态动力响应 分析
模 拟移动 荷载 通过 桥 面 方 法 如 下: 采 用 AN SY S 提供的瞬 态动力
图 1 1 /2 跨挠度时程曲线一
分析功 能 , 其 原 理即 通 过对随 时 间变 化的 荷载 采用纽 马 克逐 次积 分的 方法分 析 整个 桥跨 结构 的动力响应 时间历 程 [ 2] 。桥跨 结构 模 型为 自振特 性 分析 中的 基本 模型 , 移 动荷 载 采用 一
参 考文 献
内 取 值 的。 因 为 在 小量 值 附 近 作 比 较 是 没 有 意 义 的, 也 避免 出 现 因 影 响 线 的 量 值 趋 近 零, 而 动力 时 程 曲 线 上 的 量 值 因 波 动、 滞 后 导致 动 力 放 大 系 数 达到 几 十 甚 至 上 百 的 不 正 确 结 果。动 力放大 系 数见 表 1、 表 2 。
[ 收稿日期 ] 2006- 06- 29 [ 作者简介 ] 杨光强 , 研 究生 , 助 理工 程师 ; 邓晓 红 , 研究生 , 助理工程师 。
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工
用与 时 间 对 应 的 荷 载所 在 桥 面 位 置 来 代替时间。 在匀速移 动荷 载作 用 下 , 挠 度 时 程曲线见图 1~ 图 4。
的速度过桥时拱圈构件的内力 动力效 应还是 比较明显 的 , 且 基本呈现为速度越大动力效应也越大。 ( 3) 挠度动力放大系 数 : 从表 1 中 可见 , 1 /2 跨处 结构的 挠度在极值位置附近的最 大动力 放大系 数为 1 0223, 在 1 /4 跨处的最大动力 放大系 数分 别为 1 0707。可 以看出 1 /2 跨 处的挠度动 力放大系数小于 1 /4 跨 处的动力放大系数 , 同时 随着荷载移动速度的提 高动力系数呈放大的趋势。 ( 4) 内力动力放大系 数 : 从表 2 中可以看出 , 跨中 内力动 力放大 系数在 0 8807~ 1 2028 之间。其 中轴力放大 系数最 为显著 , 最大达到 1 2028 , 而剪 力和弯 矩最 大动 力放大 系数 分别为 1 066 和 1 0536。剪力在局部有缩小 的状况 , 主要由 于剪力的相对量值较小 的原因。随着移动荷 载速度的变 化 , 跨中内力动力放大系数 呈先放大后缩小的趋势。
图 12 左拱脚弯矩时程曲线二
体 情 况, 分 别 将 不 同速 度 下 的 挠 度 和 桁片 内 力பைடு நூலகம்和 挠 度 在 各峰 值 位 置 附 近 一 定范 围 内 的 值 与 影 响 线 作 对 比, 分 析 动力 放 大 的 具 体 量 值。挠 度 和 桁 片 内
图 11 左拱脚弯矩时程曲线一
图 7
表 1 挠度动力放大系数 荷载移动速度 ( m / s) 1 0 9951 0 9992 5 1 0073 0 9967 10 1 0121 1 0185 15 0 9954 1 0223 20 1 0707 1 0118
荷载以 不同速 度匀 速 通 过 桥 面 的 部分 内 力 时 程 曲 线 见图 5~ 图 12 。
图 9 左拱脚轴力时程曲线一
3 结
论
[ 1] [ 2] [ 3]
( 1) 挠 度 的 动 力效应 : 从图 1~ 图 4 中可见 , 当荷载以
图 10 左拱脚轴力时程曲线二
速度在 10 m /s 以上
陈宝春. 钢 管混凝 土拱桥 设计与 施工 [ M ] . 人 民交通 出版社 , 1999 . 美 国 AN SY S 公司北京 办事处 . AN SY S 动 力学分析指 南 [ M ] . 1998 . 施洲 . 钢管 混凝土 拱桥动 力特性 分析 [ D ] . 成 都 : 西 南交 通大 学 , 2003 .