钢管混凝土系杆拱桥吊杆布置形式对结构稳定与动力性能的影响.pdf
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1、第 3 5卷 , 第 4期 2 0 1 0 年 8 月 公 路 工 程 Hi g h wa y En g i n e e r i ng vO 1 35NO 4 Au g , 2 0 1 0 钢 管混凝土 系杆拱桥 吊杆布 置形式 对 结构稳定 与动 力性 能 的影 响 彭桂 瀚 ( 福州大学 土木 工程 学院 , 福建 福 州 3 5 0 1 0 8 ) 摘 要钢管 昆 凝 土系杆拱 桥通过 吊杆将桥道 系和拱肋联 成整 体 , 共 同承 受荷 载。 吊杆 的布置 形式 对结构 力学性能有较大 的影 响。对一座钢管混凝土 系杆拱桥 进行计算分析 , 比较 了直 吊杆 和 3种斜 吊杆 布置形式
2、 下结构 的稳定与动力性能 。结 果表明 , 采用斜 吊杆可提高系杆拱桥 面内刚度 , 减 少地 震作用下面 内位移 。 关键 词系杆拱桥 ; 直 吊杆 ;斜 吊杆 ; 稳定 与动力性能 ;钢管混凝土 中图分类 号U 4 4 8 2 2 文献标识 码A 文章编号 1 6 7 4 0 6 1 0 ( 2 0 1 0 ) 0 4 0 0 3 1 0 6 Effe c t s o f t h e a r r a n g e me n t o f ha n g e r s o n d y n a m i c a n d s t a b i l i t y p e r f o r m a n c e o
3、 f CFS T Ti e d Ar c h Br i d g e PENG G ui han ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r i n g ,F u z h o u U n i v e r s i t y , F u z h o u ,F u j i a n 3 5 0 1 0 8 ,C h i n a ) A b s t r a c t C F S T t i e d a r c h b r i d g e f o r m t h e i n t e g e r b y t h e h a n g e r s c o m b i n
4、 i n g t h e l a n e a n d t h e a r c h , a n d be a r t h e l o a ds Th e a r r a n g e me n t o f ha n g e r s p l a y s g r e a t r o l l i n t h e f o r c e o f s uc h c o n s t r u c t i o nA s t u d y i s ma de o n t he d y n a mi c a n d s t a b i l i t y pe r f o r ma n c e o f CFS T t i e
5、d a r c h b r i dg e u nd e r d i ffe r e n t a r r a n g e me n t o f h a n g e r s,i n c l ud i n g v e r t i c a l h a n g e r s a n d t hr e e i nc l i n e d h a n g e r s Th e r e s u l t s s ho w t h e i n pl a c e s t i f f e ni ng o f t h e t i e d a r c h br i d g e s wi t h i n c l i n e d
6、 h a n g e r s c a n b e e n h a nc e d a n d t h e i n - - p l a c e d i s p l a c e me n t c a n b e l e s s - e n e d u n d e r t h e e a r t h q u a k e Ke y wo r d s t i e d a r c h b r i d g e ;v e r t i c a l h a n g e r ;i n c l i n e d h a n g e r ;d y n a m i c a n d s t a b i l i t y p e
7、rf o r m a n c e;CFS T 系杆拱 桥 主要 是 由拱 肋 、 吊杆 、 系 梁 ( 系 杆 ) 三 者 组成 的受 力 平衡 结 构 体 系 。其 中拱 肋 、 系 梁 为 主 要受力构件 , 吊杆属 局部受力 构件 , 起 传递荷 载作 用 。在 国外 , 系杆拱 多应 用 于拱 肋 自重 较 轻 的钢 拱 桥 中, 而在我国随着钢管混凝土拱桥的不断发展 , 系 杆 拱桥 也 得 以较 多 应 用 。 目前 已 建 成 的钢 管 混 凝 土 系杆拱 桥 的 吊杆布 置 以竖 吊杆 为主 。研 究结 果 表 明 , 用斜 吊杆 代替 系 杆拱 中的竖 吊杆 , 能减 小 系
8、梁 和拱肋 的 弯 矩 , 提 高 结 构 面 内 刚 度 和 竖 向 振 动 基 频 I 4 。对 于 高速 列 车行驶 而 产生 较大 冲 击力 的铁 路 桥梁 而 言 , 斜 吊杆 体 系 较 直 吊杆 将更 有 优 势 。 因 此 , 作 者 以一座 主 跨 跨 径 1 0 0 m 的钢 管 混 凝 土 系 杆 拱 桥 一郑州 黄 河公 路 二 桥 主 桥 为 背景 工 程 , 改 变 吊杆 布置形 式 , 采用 有 限元 分析 方法 , 讨论 不 同吊杆 布置 形式 下 的结 构稳 定 和动 力 特 性 , 为斜 吊杆 系 杆 拱 设计 的实 际应用 提供 参 考 。 1斜 吊杆布置
9、 形式 对于斜 吊杆拱 , 根据 吊杆之间的交叉次数可分 为无 交叉 ( 直 吊杆 、 尼 尔 森 拱 中 的扇 形 布 置 和 双 华 伦桁式) 、 一次交叉 ( 尼尔森拱 中的单华伦桁 ) 和多 次交叉( 网拱 ) 等 3种 ; 按照 吊杆布置原则可分为等 间距 吊杆 布 置 、 平 行 吊杆 布 置 和 径 向 吊杆 布置 等 3 种 。本 文的分 析按 后一 种 划分 方法 进行 分析 。 1 1 等 间距 吊杆 布置 吊杆上节点沿拱肋水平向等问距的布置形式称 为等 间距 吊杆 布 置 , 包 括 有 扇 形 布 置形 式 以及 单 华 伦 桁 式 、 双华伦 桁 式等 ( 见 图 1
10、 ) 。 收稿 日期 2 0 1 0 0 l 一1 1 基金项 目福州大学科技发展 基金 资助项 目( 2 0 0 7 一X Y一 1 3 ) 作者简介彭桂瀚 ( 1 9 7 5一), 男 , 福 建宁德人 , 讲 师 , 博 士研究生 , 主要从 事钢筋一混凝土组合桥梁结构研究。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 3 2 公路工程 3 5卷 1 2平行 吊杆布 置 吊杆与系梁等夹角布置形式称为平行 吊杆布 置 。这 种 吊杆 布 置 形 式 是 指 吊 杆 沿 系 梁 等 间 距 布 置 , 且 每根 吊杆与 系梁 的夹角保 持不 变 ( 见 图 2 ) 。 图
11、 2平行吊杆 式 Fi g u r e 2 P a r a l l e l e d h a n g e r s 1 3 径 向 吊杆 布置 吊杆上 节 点沿 着 拱肋 弧 长 等距 离 分 布 , 任 何 相 连两吊杆上节点中心与吊杆交叉点的所有连线交于 系梁下一点的布置形式称为径 向吊杆式 , 可分为 固 定模式吊杆布置和径 向等角吊杆布置。 。 ( 见 图 3 ) 。 其 中 固定 模式 吊杆 布置 的 吊杆 上节点沿 着拱 肋等 距 离分布 , 下节点从跨中到 L 4跨也等间距分布, 但从 拱脚到 L 4跨 , 吊杆间距应根据具体设计略有变化, 同时增大拱脚与系梁拱端 吊杆节点 间距 ;
12、 而径 向等 角 吊杆布置的吊杆上节点也沿着拱肋等距离分布 , ( a )固定模式吊杆布置 ( b )径向等角吊杆布置 图 3径 向吊杆布置 F i g u r e 3 Ra d i a l h a n g e r s 所 有 吊杆与 拱肋 的交 角均 相 等 , 这 样 任何 相 连 两 吊 杆 节点 中心 与 吊杆交叉 点 的所有 连线 将交 于同一 圆 心 。 本文已在文献 4 通过静力计算 已确定 了各斜 吊杆 布置 的最优 角度 , 下文 就 以直 吊杆 布置 ( 拱 1 ) 、 等 问距 吊杆布置 ( 拱 2 ) 、 夹角 7 5 。 的平行 吊杆布置 ( 拱 3 ) 和 夹角 5
13、 0 。 的径 向 吊杆 布 置 ( 拱 4) 这 4种 吊 杆 布置 形式 , 分析 讨 论 不 同 吊杆 形 式对 结 构 动 力 和 稳 定性 能 的影响 。 2空间有 限元模型 上部结构的稳定特性计算, 采用有限元程序 N L B E A M3 D 。有 限元 模 型 中 , 桥 面 铺 装 9 c m 沥 青 混凝 土不 考虑其 刚度 贡 献 , 其 重 量计 入 桥 面 板 的 密度中。拱肋抗弯刚度按 E 1 =E , +E , 计算 , 式 中: E 、 E 为拱肋混凝土和钢管的弹性模量; , 、 , 为拱肋混凝土和钢管的惯性矩 。横梁和系梁都是预 应力构件 , 按全预应力构件计
14、算刚度 , 系梁的横隔板 在 静力计 算 时重量 是 以集 中力 的形 式 作 用在 上 面 , 不 考虑横 隔 板 的 影 响 。全 桥 空 间 有 限 元 模 型 见 图 4。 ( a ) 拱 1 ( b )拱 2 ( c )拱 3 ( d )拱4 图 4 系杆拱桥有 限元模型 Fi g ur e 4 FE mo d e l o f t i e d a r c h br i d g e 3 弹性一类稳定特性比较 仅考虑 自重作用 , 4种 吊杆布置系杆 拱在使用 过程 中一 阶失 稳 均 表 现 为 面 外 失 稳 , 如 图 5所 示 。 表 1 列出了 4种 吊杆 布置系杆拱一 阶失稳
15、稳定 系 数, 稳定系数都相差不大 , 几乎都相等 , 都满足规范 大于 4的要求 。说明斜 吊杆可以明显提高系杆拱的 面 内刚度 , 但 对 于结构 的面 外刚度 贡献 不大 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 4期 彭桂瀚 : 钢管混凝土系杆拱桥 吊杆布置形式 对结构稳定与动力性能 的影 响 3 3 f a 1拱 1 f 】 )拱 2 ( c1拱 3 f d1拱 4 图 5 系杆拱桥 弹性一类失稳模态 F i g u r e 5 El a s t i c b uc k l e d s ha p e o f t i e d a r c h b r i d
16、g e 表 1 不 同 吊杆 布 置桥 型 一 阶失 稳 稳 定 系 数 Ta bl e 1 El a s t i c fi r s t s t a b i l i t y f a c t o r o f br i d g e s t r u c t ur e wi t h di f f e r e n t h a n g e r a r r a ng e me n t 桥型 稳定系数 桥 型 稳定 系数 拱 1 6 7 2 7 8 拱 3 6 7 0 7 3 拱 2 6 6 5 2 3 拱 4 6 6 9 5 0 4基本 动力特性 表 2列 出 了 4种 吊杆 布 置形式 下 的 系杆拱 桥
17、 的 面 内 、 面外 自振频 率 , 可见 4种 吊杆 布 置形 式下 的系 杆拱 都 是 面外一 次振 动 比面 内一 次振 动先 出现 。面 外 一 阶对 称 振动 的基 频 分别 为 0 5 2 9 Hz 、 0 5 2 5 H z 、 0 5 2 6 H z 和 0 5 3 4 Hz , 振 型 贡 献 率 分 别 为 1 5 6 、 1 5 7 、 1 5 7 和 1 5 8 。对 于 面 外 一 阶 反 对 称 侧 弯 的基 频 分 别 为 1 2 7 5 Hz 、 1 2 9 1 Hz 、 1 2 8 6 H z和 1 3 1 3 H z , 振 型 贡 献 率 分 别 为 1
18、 5 6 、 1 5 7 、 1 5 7 和 1 5 8 。振型贡献率非常小 , 最大贡献率 为 0 5 。4种 吊杆 布置 的系杆拱面外一 阶对称或 反 对称侧 弯 的基 频 都 相 差 不 大 , 说 明 吊杆 布 置 形 式 的变化 对 面外几 乎 不影 响 。 对 于 面内振 型 , 4种 吊杆 布 置 形 式 下 系 杆 拱 的 一 阶竖 弯振 型均 为 拱 桥 特 有 的反 对称 振 型 , 一 阶 反 对称 振 动 的 自振 频 率 分 别 为 1 3 5 0 Hz 、 1 8 9 2 Hz 、 1 7 1 2 Hz 和 2 0 9 8 H z , 振型 贡献率分 别 为 2 7
19、 、 2 8 、 2 7 和 4 5 。3种 斜 吊杆拱 试设 计 的面 内 一 阶反对 称频 率 比直 吊杆 拱分别 提 高 了 4 0 1 、 2 6 8 和 5 5 4 ; 对 于面 内一 阶对 称 侧 弯 的 基 频分 别 为 1 9 4 9 H z 、 2 2 0 6 H z 、 2 2 1 1 Hz 和 2 2 0 6 H z , 振 型 贡献率 分别 为 4 7 6 、 5 3 0 、 4 8 2 和 3 6 5 。 3种斜 吊杆 拱试 设计 的 面 内一 阶对 称 频 率 比直 吊杆 拱分别提高了 1 3 2 、 1 3 4 和 l 3 2 ; 这说明试 设 计 采用 斜 吊杆
20、 布置 能提 高 面 内刚度 和面 内 的 自振 频 率 。 表 2不 同吊杆布置形式 系杆拱 的面 内、 面外 自振频率 比 较 表 Ta bl e 2 I n pl a ne a nd o u t o f pl a n e n a t u r a l f r e qu e n c i e s o f t i e d a r c h wi t h di f f e r e n t h a n g e r a r r a ng e m e n t 由 于篇 幅 限 制 , 图 6仅 列 出拱 4 ( 径 向 吊杆 布 置 ) 的主要 振 形 图 。 ( a ) 一阶对称侧弯振型 ( b )一阶
21、反对称竖弯振型 ( c )一阶反对称侧弯振型 f d ) 一 阶对称竖 弯振型 图 6拱 4主 要 振 型 图 F i g u r e 6 Ma i n mo d e s h a pe s o f n o 4 a r c h 5结构 地震 响应特 性 依 国家 地震 局 、 建 设 部 1 9 9 2 1 6 0号 文 , 据 中 国地震烈度 区划 图( 1 9 9 0 ) 及 郑 州高速公路 黄河 二 桥地 震安 全 性 评 价 报 告 , 结 合 桥 区 所 处地 理 位置 , 桥 区地震基本烈度为 7 。 。 公路工 程抗震设计规范( J T J 0 0 4 8 9 ) , 规定 结构重
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