V形连续刚构梁拱组合桥内力分析.doc

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1、【精品文档】如有侵权，请联系网站删除，仅供学习与交流V形连续刚构梁拱组合桥内力分析.精品文档.V形连续刚构梁拱组合桥内力分析 振动与冲击 第28卷第2期 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.28No.22009 刘世忠,任万敏 1 2 (1.兰州交通大学土木工程学院,兰州730070;2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都610031) 摘要:以一V形连续刚构梁拱组合桥为研究对象,介绍了V形桥墩连续刚构梁拱组合桥的设计构思,采用自编 SMAD有限元计算程序,重点分析了墩身尺寸及边界条件对整个结构的影响。通过优化计算巧妙的解决了收缩、徐变次 内力和预应力、温度次内力对结

2、构的不利影响;本桥系梁与拱肋的横向刚度比为1926:1,通过在主梁主要收缩徐变完成 后成拱以及对吊杆进行二次调索的施工方法有效解决了刚性系杆柔性拱的横向稳定问题;三维地震反应结果表明桥梁上部各部位的地震力不是该桥的控制内力,说明本桥设计构造具有良好的抗震性能。计施工具有参考价值。 关键词:V形桥墩;梁拱组合;收缩徐变;拱的稳定;地震反应中图分类号:442.5 文献标识码:A 1工程概况 中卫V区中西部,宁、甘、区主干道上的跨铁路立交桥。桥梁全长261m,为满足城市景观要求,主桥采用(25+56+25)m,V 形连续刚 4.m机非混合车道+2.0m分隔带+16.0m机动车道+2.0m分隔带+4.

3、0m机非混合车道+2.0m人行道,总宽32m;4)计算行车速度:50km/h;5)地震烈 度:地震峰值加速度0.2g,按度设防 图1中卫V形连续刚构梁拱组合桥总体布置图(单位:m 构梁拱组合体系,主梁 采用等高度混凝土单箱五室连续箱梁,桥墩采用V形刚构,横向布置两片钢筋混凝土拱肋,居中置于两侧分隔带内,拱肋间不设横撑。吊杆间距6.0m。主桥总体布置图见图1,横 图2主桥横断面图(单位:m) 断面图见图2。成桥效果图如图3。 主要技术标准如下: 1)道路等级:级城市主干路;双向六车道;2)设计荷载:城市-A级;3)桥梁宽度:2.0m人行道+ 基金项目:国家自然科学基金项目(50378076);兰

4、州交通大学“青蓝”基 金(QL-04-08A) 收稿日期:2008-03-31修改稿收到日期:2008-05-21第一作者刘世忠男,博士,教授,1962年生 图3成桥效果图 2主桥的设计思想 主梁:主梁采用单箱五室整体截面,箱梁纵向采用 等高度;横向梁高为1.3m1.62m。顶板厚30cm;底板厚25cm。边腹板40cm,中腹板30cm,其中拱脚处中腹板厚为200cm。悬臂长为2.0m,悬臂根部厚度50cm,端部厚度20cm。主梁在端部及与V撑、加劲拱、吊杆连接处设有横梁,横梁尺寸随连接部位的不同而不同。 吊杆:吊杆标准间距6m,采用新型PES(FD)平行高强度预应力钢丝束,冷铸锚固体系。该索

5、体采用双层HPDE防护,可有效解决应力开裂问题。锚固处设有可偏摆的球铰装置和减震装置,以适应吊杆变形和减震。并设有防水装置,以解决吊杆下端进水而引起腐蚀的问题。通过上述措施提高吊杆的安全性和耐久性。 拱肋:钢筋混凝土矩形截面(宽高)为1.8m1.5m,两侧独立设置。拱轴线为悬链线,拱轴系数m=2.5,跨度L=45m,矢高f=12.5m 。拱肋仅协助主 第2期 梁承担二期恒载和活载。在拱肋侧面、顶面均设有起装饰效果的开槽构造。 下部结构设计为V形支撑墩:主墩采用三个带圆弧倒角的5m1.5m钢筋混凝土矩形截面V形支撑,桥墩高12.8m。基础采用单排6根<2.0m钻孔灌注桩,桩长35m。钢筋混

6、凝土承台厚2.5m,底面以下设10cm厚的C15混凝土垫层和15cm厚的砂砾垫层。为减少承台侧土对基础变形的影响,基坑采用粉细砂松散回填 本桥主桥在充分考虑桥位特点、通行要求、桥型与周边环境协调等因素后,确定采用 图4三维有限元模型 V形墩连续刚 构梁拱组合方案。(1),采用V, 使梁与拱在受力方面的优点得以充分发挥,大大削减了跨中和支点部位的弯矩峰值,降低了梁高,减少了工程造价。 (2)V撑连续刚构梁拱组合桥具有造型活泼、美观、富有动感的特点,桥梁景观效果较好,可与周围环境和谐的融为一体,丰富了人们的美觉享受,提升了城市的建筑艺术内涵。 (3)本方案桥面宽度较宽,且在拱脚处设计刚度较大的中横

7、梁与拱肋刚性连接,巧妙地解决了主梁横向刚度和拱肋稳定性问题。 方案采用拱、V撑和梁固结的结构体系,属于多次超静定结构,。同一般薄壁墩,;在结、活载、混凝土收缩、徐变等,当,影响更为严重。这样对结构基础、V撑和拱脚的设计带来了较大困难。这也是本文力图解决的主要问题。 3结构内力分析 36 表1考虑与不考虑弹性地基最大内力绝对值 边部 位 V形墩(底部)V形墩(墩顶)V形墩(墩梁固结处) 界 及 不考虑弹性地基(墩底固结) 基 弯矩 (kN?m) 38889.918575.115864.485508.018133.61609.9 考虑弹性地基 单排桩(2.0m) 弯矩(kN?m) 16283.51

8、5554.212677.376710.815683.01518.5 双排桩(1.5m) 轴力(kN) 22322.322308.616542.821532.314603.811838.2 剪力(kN) 5964.55964.53184.913063.82882.7861.8 轴力(kN) 25449.124435.118318.936651.515419.212611.2 剪力(kN) 3762.43762.42583.210559.72571.9815.1 弯矩(kN?m) 23874.414631.914570.892823.713861.11493.4 剪力(kN) 4530.84530

9、.81787.513237.22418.7841.7 轴力(kN) 25766.324752.318683.628115.914352.111558.2 主梁(墩梁固结处) 拱脚拱顶 计算采用空间杆系有限单元法,主梁、拱肋、V撑和吊杆共离散为867个节点,1514个单元(图4)。边界条件的处理:梁、拱和V形支撑刚接;根据实际结构形式,考虑桥墩与基础的相互作用,引入面内弹性地基梁单元,该单元共两个节点,每个节点面内三个自由度 u、v、,局部坐标系下单元面内节点力与节点位移之间的关系为: mm (1)Fe=Kee 式中节点位移、节点力列阵和单元刚度矩阵表达式详见文献7。 m 空间计算时 ,只需将K

10、e扩充成1212的刚度矩阵,填入相应的面外刚度系数即可。 计算荷载考虑了恒载、活载、温度梯度、整体升降温、收缩、徐变、支座沉降、吊杆预加力以及基础的刚度等诸多因素的影响。该结构属于多次超静定结构,其 结构的受力比较复杂。本文仅给出受力较为不利的结构基础、V撑和拱肋的分析过程及计算结果。 表2桥梁前6阶自振频率及振型特点 No. 振型描述频率/Hz 1.1172.6252.6382.9243.7594.065 1V撑的纵向振动伴随主梁的反对称竖弯振2拱的1阶面外反对称弯曲振动3拱的1阶面外对称弯曲振动4主梁主跨1阶半波竖向弯曲振动5主梁主跨1阶对称扭转振动 6主梁2阶两半波反对称竖向弯曲振动 经

11、过大量的优化计算发现,V撑自身刚度以及基础的刚度是影响结构内力分配的一个重要因素。多工况计算了在不同边界条件下V撑厚度对结构内力分配的影响,结果表明在相同边界条件下,V撑内力(特别 58振动与冲击 2009年第28卷 是弯矩)随其厚度的增加而显著增大,但对主梁内力分配的影响较小,其原因是V撑刚度相对于主梁而言较小所致,在兼顾墩身内力和与整体结构美观协调的原则下,最终选取V撑厚度为1.5m。 表3荷载组合下控制截面内力最大值(单位:kN?m)荷载组合 截面主梁拱顶 组合 拱脚 V撑 组合内力最大值 轴力 11560.3-9164.4-12572.1-18711.3-20818.39682.6-9

12、218.2-12964.8-.-13432.3-8951.2-11890.5-16127.9-21144.421532.3-11838.2-14603.8-16542.8-22322.3 土主拉应力为0.54MPa,均在规范容许范围内。通过 分阶段施工减小了收缩、徐变、预应力等次内力对结构的不利影响,分阶段施工与一次成桥施工相比,使设计中较为不利的构件内力减小了20%,是拱肋在体现仅协助主梁承担二期恒载和活载设计思想条件下,面外稳定性满足规范要求的重要保障。 剪力 8430.71048.8-1185.9999.5210629.28965.8825.1-.88954.51086.4-1732.5

13、976.86983.310559.7815.1-2571.92299.83762.4 弯矩 -83256.9-465.112657.112700.528693.5-84754.4-435.926833.3-83922.9-471.511416.311024.920304.5-76710.8-1518.51568312677.316283.5 4地震反应分析 411自振特性分析 3,8 桥墩主梁拱顶 组合 拱脚 V撑 桥墩主梁拱顶 组合 拱脚 V撑 桥墩主梁拱顶 组合 拱脚 V撑 桥墩 除混凝土收缩、徐变及预应力引起的次内力外,地 基弹性作用也是影响结构内力分配的一个重要因素,本文还分别计算了桩

14、径为2.0m的单排桩和桩径为1.5m的双排桩、桩长均为35m的基础作用下对结构内力分配的影响。计算结果如表1所示。在设计荷载作用下,单排桩拱脚弯矩为15683.0kN?m,是不考虑弹性地基效应的86%,剪力为2571.9kN,轴力为14603.8kN,V形墩墩顶弯矩为15554.2kN?m,是不考虑弹性地基效应的83%,剪力为3762.4kN,轴力为22308.6kN,V形墩底弯矩为16283.5kN?m,是不考虑弹性地基效应的42%,是双排桩的68%,充分显示出结构优化设计与引入弹性地基影响的重要性。V型墩构件均按偏压构件进行设计,最不利荷载工况下应力及裂缝宽度均满足规范要求。主梁按A类预应

15、力混凝土构件设计,在荷载短期效应组合下,正截面混凝土拉应力为0.58MPa、压应力为9.36MPa,斜截面混凝 计算了考虑弹性地基作用的桥梁前15阶自振特 性,限于篇幅表2仅列出前6阶自振频率和振型特点。41中国地震动参 -2001)、建筑抗震设计规范 -2001)及铁路工程抗震设计规范(GBJ111-87)的有关规定,结合本区域工程地质与水文地质条件及工程设置的实际情况。中卫市抗震设防烈度8度,地震动峰值加速度0.20g。根据各地层的剪切波速经验值分析,工程所在场地属类场地。计算中采用1940年记录到的美国加利福尼亚州的Elcentro地震波南北分量、1976年记录到的天津地震波和1952年

16、记录到的Taft地震波。激励方向为纵向+1/2竖向、横向+1/2竖向。表3列出了荷载组合下控制截面内力最大值(其中组合为ElCentro波+恒载+吊杆预加力,组合为天津波+恒载+吊杆预加力,组合为Taft波+恒载+吊杆预加力,组合为恒载+活载+沉降+温度+人群+吊杆预加力)。图57为控制截面内力比较图(图中X轴方向的截面15分别对应控制截面主梁,拱顶,拱脚,V撑,桥墩)。该桥取组合、组合和组合最不利内力值进行抗震验算。地震作用下内力设计值与组合作用下内力设计值相比,主梁、拱顶和拱脚处轴力均有所减小,V撑轴力增加了14.0%,桥墩轴力增加了10.4%;主梁、拱脚和V撑剪力均有所减小,拱顶剪力增加

17、了33.3%,桥墩剪力增加了182.5%;拱顶和拱脚弯矩均有所减小 ,主梁弯矩增加了10.5%,V撑弯矩增加了0.8%,桥墩弯矩增加了76.2%。由以上比较可知,控制截面拱顶、拱脚和V撑地震力不是控制因素,主梁内力虽然有所提高,但提高幅度不大。按设防烈度8度考虑,桥墩截面内力有大幅度提高,故桥墩由地震力控制设计,其余截面均由组合控制设计。本文还进行了反应谱分析计算,其内力组合均小于组合作用下内力值,不再列出。4.3典型截面位移时程曲线 限于篇幅图8仅给出了主梁跨中和拱脚位移在ElCentro(N2S)波激励方向为纵向+1/2竖向、横向+1/2竖向时响应的时程曲线图。 第2期 刘世忠等:V 形连

18、续刚构梁拱组合桥内力分析59 图5控制截面轴力比较图图6控制截面剪力比较图图7 控制截面弯矩比较图 三维地震反应分析结果表明:中卫桥的抗震性能良好,各项应力、变形指标均符合规范要求;对比桥梁各部位的位移、轴力、剪力和弯矩在地震作用下的最大值,桥墩是该桥在地震荷载作用下的危险构件,由地震 力控制设计;与荷载组合作用下桥梁各部位的内力相比, 该 纵向+竖向地震作用下跨中纵向位移 2 横向竖向地震作用下跨中横向位移2 纵向+ 竖向地震作用下拱脚纵向位移2 横向竖向地震作用下拱脚横向位移2 图8位移时程曲线图 桥在地震作用下是安全的。 5结论 通过对全桥进行详细的优化设计计算、反应谱分 析和地震时程反

19、应分析,可以得出以下结论: 1)在墩身竖直高度不大的情况下,作为跨线桥,选择V形墩连续刚构梁拱组合桥型,可以有效地减小主梁跨度,减小梁高、降低建筑高度,节省投资;但刚构主体及拱脚的受力比较复杂。 2)V撑连续刚构墩底水平力和弯矩较大,通过模拟合理的边界条件、调整V撑厚度,特别是采用分阶段施工等手段,可以有效消除大部分混凝土收缩、徐变及预应力次内力对结构的不利影响。 3)采取先修筑主梁并释放一期自重荷载变形,再 成拱、调整吊杆拉力的施工方法,不仅可以实现拱肋仅协助主梁承担二期恒载及活载的设计思想,也是实现单拱肋横向稳定性的有利措施。 4)本桥抗震设计采用反应谱和线性时程两种方法,与荷载组合作用下

20、桥梁各部位的内力进行相比,反应谱分析结果不是抗震设计的控制工况;通过线性时程分析,除桥墩外地震内力不是该桥的控制内力,桥梁在烈度为8度的地震荷载作用下是安全的,说明本桥结构设计具有良好的抗震性能。 5)弹性地基作用和地震对上部结构的影响较小,对桥墩的影响显著,正好体现了这种桥型优化设计的重点所在,同类桥梁应进行三维地震反应时程分析抗震验算。本文结论可供同类型桥梁的设计和施工参考。 (下转) 76 2 振动与冲击 2009年第28 卷 截面积A0=100mm,振动频率为1Hz,计算附加气室与主气室不同容积比n下弹簧的动刚度(图5) 3)弹簧的动刚度与弹簧内压力几乎保持正比关系;动刚度随之振动频率

21、的增大而增大;节流孔的增大会降低弹簧的动刚度;增加附加气室容积会降低弹簧的动刚度,但当附加气室与主气室容积比大于3时,附加气室容积的变化对弹簧动刚度的影响便不再明显。由于线性化模型是在小振幅条件下求得,所以此模型无法反映振幅变化对动刚度的影响。 参考文献 1KatsuyaToyofuku.StudyonDynamicCharacteristicanalysis ofairspringwithauxiliaryJ.JSAEReview1999,20:349 图5附加气室容积与动刚度的关系曲线 -355. 2QuagliaG,SoliM.ExentalandTheoreticalAnalysiso

22、f anAirSpReservoir.Procofthe6thInter2ControlMeasurementandVisu2Jooke,Canada,Aug,2000. G,SoliM.AirSuspensionDimensionAnalysisand DesignProcedureJ.VehicleSystemDynamics,2001,35 (6):443-475. 4原亮明,宫相太,等.铁道车辆空气弹簧垂向动态特性分 由于n=Va0/Vs0,主气室初始容积是固定的,所以n值的增大相当于增加附加气室容积。由图可见,附加气室容积增大会使动刚度减小,但附加气室容积越大,对动刚度的影响效果越小

23、,比n大于3以后,动刚度变化便很小,刚度模型(24),积比n是以(1+1/n)中出现,所以n值越大,(1+1/n)项随n值的变化会越小。 3结论 1)依据热力学、流体动力学理论建立了带附加气室空气弹簧系统各元件的动力学方程,并在小振幅的条件下,用小偏差线性化方法对各动力学方程线性化处理,建立了空气弹簧线性化动刚度模型,由模型可知空气弹簧的几何结构、弹簧内压力、振动频率、节流孔开度、附加气室容积是影响弹簧动刚度的主要因素。 2)基于所建立的动刚度模型,以Firestone1T15M-2空气弹簧作为计算对象,在小振幅为25mm条件下,分别求解各因素对线性化动刚度和非线性动刚度的影响关系,两类曲线变

24、化规律和大小基本保持相近,验证了线性化刚度模型的精度。(上接) 参考文献 1李国豪.桥梁结构稳定与振动M.北京:中国铁道出版 社.2003. 2金成棣.预应力混凝土梁拱组合桥梁设计研究与实践 M.北京:人民交通出版社.2001.3吴鸿庆,任侠.结构有限元分析M.北京,中国铁道出 版社.2000.4刘世忠,吴辉.薄壁箱梁内力影响面的实用计算方法 J.中国公路学报,2007,20(4):71-76. 析方法的研究J.中国铁道科学,2004,25(4):37-41.5原亮明,宫相太,等.铁道车辆空气弹簧2可变节流阀垂向 动态特性的研究J.铁道学报,2005,27(1):40-44.6李芾,等.车辆空

25、气弹簧动力学参数特性研究J.中国 铁道科学,2003,24(5):91-95. 7周永清,朱思洪.带附加空气室空气弹簧动态特性的试验 研究J.机械强度,2006,28(1):13-15.8贺亮,朱思洪.带附加空气室空气弹簧垂直刚度和阻尼 实验研究J.机械强度,2006,28(8):33-36. 9薛兵.工程热力学M.西安:陕西科学技术出版 社,2005. 10张祉祜,石秉三.制冷及低温技术M.北京:机械工业出 版社.1982. 11郑治国,顾仁康.轻工液压传动与气压传动M.北京:中 国轻工出版社,1994.12王进,林达文,等.轨道车辆用空气弹簧的刚度特性试 验J.世界橡胶工业,2006,33

26、(11):40-43. 5彭文成.V型墩连续刚构主墩底水平力和弯矩的计算分析 J.交通科技,2004,205(4). 6许汉铮,等.连续弯梁(刚构)桥的统一计算模式J.中国 公路学报,200215(4):57-05.7华东水利学院弹性力学问题的有限单元法M.北京:水 利出版社,1982.8朱玉.钢管混凝土系杆拱桥地震反应分析D.兰州:兰 州交通大学,1997. 200 JOURNALOFVIBRATIONANDSHOCK Vol.28No.2 2009differentdevicesarerelatedwiththestructurecharacteristicsandtheshockload

27、direction.Withregardtothemainturbo2setandthemainreducinggeardevice,becauseoftheconnectingrelationbetweentheparts,thedynamicresponseofthebolt,dowelandtheconnectingstructureofthemismoreinfluential. Keywords:timedomainsimulatingmethod;shockresistance;shipdevice;DDAM(pp:45-50) Identificationofweaknonlin

28、earitiesindampingand stiffnessbasedonwavelettransform DAIYu,SUNHe2yi,LIHui2peng,TANGWen2yan (DepartmentofAutomaticMeasurementandControl,HarbinInstituteofTechnology,Haerbin150001,China) Abstract:UtilizingthemagnitideandphaseofcontinuouswavelettransformCcoefficientonridge,weaknonlinearitiesindampingan

29、dstiffnesswereidentifiedfromthesystem.Anewal2gorithmforridgedetectionwasintroducedtoeliminatetheofextremeofCWT.Inordertominimizeend2effect,theparameterselectionofwaveletbyusinganoptimizationtechniquebasedonthemethodoffittingerrorofleastsquares.numentalstudieswerecarriedouttodemonstratetheproposedpro

30、cedureandverifyitsmisahighaccuracyinstrumentformeasuringmomentofiner2tia.Theresultsshowinidentifyingweaknonlinearitiesindampingandstiffnessofstructures. Keywords:paraon;nonlinearsystem;wavelettransform;ridge;themethodofleastsquares (pp:51-55) Internalforceanalysisofthegirderandarchcombination bridge

31、withcontinuousrigidframeandV2shapedsupport LIUShi2zhong,RENWan2ming12 (1.LanzhouJiaotongUniversityCivilDepartment,Lanzhou0730070,China; 2.ChinaRailwayEryuanEngineeringGroupCo.LTD,Chendu610031,China) Abstract:ThedesignofV2shapedpiersofthebeam2archcombinationsystembridgewithcontinuousrigidframewasintr

32、oduced.UsingSMADfiniteelementprocedure,theinfluencesofthesizeofpierbodiesandboundaryconditionsonthewholestructurewereanalysed.Throughoptimiationofcomputation,theadverseeffectsofshrinkage,pre2stressandsecondinternalforcescausedbycreepandtemperature,etc.,onthestructurewereinvestigatedandmanagedtobeeli

33、mi2natedaccordingly.Thelateralstiffnessratioofthetiebeamtothearchribofbridgeis19261.Constructingthearchofmaingirderaftercompletionofmainshrinkageandcreep,anderectingthesuspendersbythemethodoftwiceregulatingsupportingcables,thelateralstabilityofframearchbridgewithflexiblebarswasensured.Three2dimensio

34、nalseismicre2sponsesanalysisofthebridgeshowsthattheseismicforcesofallupperpartsofthebridgearenotthecontrolinternalforcesofthebridge,andillustratesthestructuralconstructionofthebridgehasagoodseismicperformance. Keywords:V2shapedpiers;girderandarchcombination;shrinkageandcreep;stabilityofarch;seismicr

35、esponse (pp:56-59,76) Inter2relationshipsamongflutterderivativesofthinplatmodel WANGXiong2jiang,QINXian2rong,GUMing121 (1.StateKeyLaboratoryforDisasterReductioninCivilEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China) Abstract:Accuratedeterminationofflutterderivativesforlarge2spanbridgesisofcriticalimportancetoensurethereliabilityoftheflutteranalysis.Althoughmuchprogresshasbeenachievedbothintheidentificationandtestingmethod2