基于多尺度模型的空间Y型拱桥抗震性能分析.pdf
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1、第 卷 第 期 年 月世 界 地 震 工 程 .收稿日期:修回日期:基金项目:北京市教育委员会项目()作者简介:韩 强()博士教授主要从事桥梁抗震与性能评价的研究:.通信作者:王利辉()工程师主要从事桥梁抗震与试验技术的研究:.文章编号:():./.基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析韩 强王朝进吴睿麒高鑫崇许 坤王利辉(.北京工业大学 城市与工程安全减灾教育部重点实验室北京 .北京市市政工程设计研究总院有限公司北京.北京市城市桥梁安全保障工程技术研究中心北京 )摘 要:对建造在高烈度区大跨度桥梁其抗震安全性分析是桥梁设计中重要环节特别是对结构复杂的异形空间桥梁体系 杆系模型计算效率较高但
2、不能反映关键构件局部受力和变形局部构件的边界条件确定困难而且难以准确模拟荷载传递过程不能满足实际工程需要而多尺度模型为兼顾计算精度和效率提供了可能 本文基于多尺度模型和杆系模型的方法对大跨度空间 型拱桥的动力特性进行分析验证了桥梁多尺度建模方法的精确性与可靠性在此基础上开展大跨度空间 型拱桥结构地震反应分析探讨了大跨度拱桥地震响应规律以及关键构件局部受力和变形特征对其抗震性能进行合理评估关键词:异型拱桥多尺度建模动力特性抗震性能中图分类号:文献标识码:(.):.:引 言近年来异型拱桥由于其美观性被广泛应用于城市建设同时因其桥型空间结构上的独特性使得结构世 界 地 震 工 程第 卷体系受力非常复
3、杂空间效应突出桥梁设计极具挑战性 特别是建在高震区大跨度异形桥梁地震安全风险高超出现行桥梁抗震设计规定范围 大跨度异型拱桥抗震安全性受到桥梁工程师和工程抗震研究人员重点关注目前在桥梁结构的抗震分析中通常采用梁单元对整个桥梁进行建模分析即建立桥梁“脊骨梁”模型 这种方法能够得出桥梁整体动力特性、内力及应力分布 这种建模方法将一个复杂截面简化为一个点大大提高了计算效率然而无法获得桥梁某些关键部位的局部动力效应、应力集中、疲劳和断裂等情况 同时由于大跨度桥梁结构复杂和体量巨大如果根据结构实际情况进行全尺度精细化模拟(如采用实体单元或板壳单元)所建有限元模型的规模将非常庞大这对计算设备的计算容量、计算
4、能力以及分析软件都有很高的要求这些要求在现阶段都难以实现 因此作为一种平衡精度和计算代价的有效途径多尺度仿真分析已逐步成为大跨度桥梁性能分析和评估的主流选择 许多研究人员对多尺度连接方法进行了探索和研究多尺度仿真分析核心是通过采用不同尺度的单元对大跨度桥梁进行模拟计算即对桥梁整体采用宏观模型(梁单元模型)对桥梁设计和受力较为复杂的局部关键部件建立微观精细模型(板壳单元或实体单元模型)通过采用不同单元之间合理的连接方式使得宏观模型与微观模型协同计算更准确高效的得出桥梁整体与局部构件受力情况本文以一座特大跨径空间 型拱梁组合体系桥为工程背景基于多尺度建模技术建立了该桥多尺度有限元模型并通过与杆系模
5、型对比验证了多尺度建模方法的精确性与可靠性 采用时程分析法计算分析了大跨度空间 型拱桥结构整体和局部关键部件的地震响应对其抗震性能进行合理评估多尺度建模方法多尺度建模方法是通过不同类型和尺度的单元模拟结构不同部位以保证计算精度和效率的方法 不同尺度单元界面处的连接应确保在不损失宏观模型自由度的同时尽可能不增加微观模型的额外约束 目前工程结构中主要涉及三种单元连接方式:梁单元实体单元连接、梁单元壳单元连接和壳单元实体单元连接 事实上不同单元之间的连接原理基本相同本文将以梁单元模型与壳单元模型的连接来说明不同单元的连接原理本文通过 有限元软件采用耦合连接()命令中的动力耦合()方式连接梁单元模型与
6、壳单元模型如图 所示以梁单元节点为主节点壳单元上所有节点为从节点通过耦合的方法将壳单元上所有节点的六个自由度均进行约束梁单元节点与壳单元面上节点之间的距离保持不变同时壳单元各个节点之间的相对距离保持不变保证梁单元节点与板壳单元节点之间的位移协调 图 耦合面三维示意图 图 耦合面节点位移协调示意图 .假定初始时刻位于交界面的梁单元节点 与交界面壳单元节点 坐标分别为()与()梁单元节点有三个平动自由度和三个转动自由度而板壳单元节点仅有三个平动自由度如图 所示因此基于平截面假定可得到梁单元节点位移向量()与板壳单元节点位移向量为()的控制方程如下:()()第 期韩 强等:基于多尺度模型的空间 型拱
7、桥抗震性能分析 ()式中:、和 为壳单元节点相对于梁单元节点 的坐标 和 分别为梁单元 的平动位移和转角多尺度建模实例.工程背景图 为廊坊市某空间 型拱桥示意图该桥主桥全长 跨径为 .上部结构由钢主梁、斜吊杆及 型拱肋三部分组成抗震基本设防烈度 度 主梁采用南北两幅分离式钢箱梁两幅之间采用横梁进行连接吊杆采用扇形斜向布置主梁上吊杆间距 全桥共有吊杆 对合计 根拱肋采用空间“”型变截面箱形钢拱肋拱肋侧面上下缘投影线为不共焦点的椭圆线空间 型拱肋的一端在中央隔离带处与主梁横梁连接下接中墩支座拱肋在拱顶处进行分叉将单拱肋分叉为双拱肋分叉处轴线夹角为.分叉后的双拱肋分布于主梁两侧通过拱脚的拱梁结合部与
8、主梁连接 分叉后拱肋通过横撑保证其抗侧移性能 主梁和钢拱肋采用 钢材分叉后拱脚拱梁结合部分内部灌入混凝土采用 混凝土桥梁盖梁和桩基等采用 混凝土图 空间 型拱桥示意图.多尺度有限元模型图 桥梁多尺度模型.全桥多尺度模型由精细模型与杆系模型两部分组成 桥梁拱梁结合部位和拱肋分叉部位为该空间 型拱桥结构设计上的难点和要点结构形式复杂传统的杆系模型不能很好的模拟其结构力学特性因此对该部分进行精细化建模主梁和拱肋等其余部分采用传统杆系建模方法进行模拟如图 所示全桥多尺度模型共建立了 个节点 个梁单元个板壳单元 个桁架单元 个实体单元桥梁拱梁结合部位和拱肋分叉部位钢箱室部分采用三维板壳单元 进行建模桥梁
9、拱梁结合部位内部灌入混凝土及与其相连的承台采用三维板实体单元 进行模拟如图 所示 主梁和拱肋等其余部分采用梁单元 模拟吊杆采用桁架单元 模拟 吊杆与主梁之间采用刚臂进行连接支座采用弹簧阻尼单元(/)进行模拟桩土作用采用 法等效土弹簧进行计算采用 连接单元模拟桥梁拱梁结合部位钢拱肋部分与内部灌入混凝土及拱梁结合部位相连的承台之间的接触关系均采用内置区域()方式进行模拟忽略钢板与混凝土之间的粘结滑移 基于上文提出的多尺度耦合连接方法进行桥梁精细模型与杆系模型连接保证结构不同尺度连接界面之间变形协调同时考虑到杆系元与板壳单元连接处截面进行了刚化处理为保证模拟准确性 型分叉处模拟长度取该节段设计长度两
10、端各延伸一米的总长度世 界 地 震 工 程第 卷图 拱梁结合部位精细模型.图 拱肋分叉部位精细模型.杆系模型图 全桥杆系模型.为验证上述多尺度模型准确性建立了相同参数下的杆系模型即全桥均采用梁单元和桁架单元模拟与多尺度模型不同的是:拱梁结合部位拱肋与主梁大横梁之间采用绑定约束()拱肋单拱段与双拱段采用刚臂进行连接如图 所示 全桥共建立了 个节点 个梁单元 个桁架单元.空间 型拱桥动力特性对比桥梁的动力特性是指对桥梁自振动频率和主振类型进行计算分析是桥梁结构地震研究的基础 本文针对空间 型拱桥杆系模型和多尺度模型进行了动力特性分析结果见表 桥梁杆系模型与多尺度模型前五阶振型形状如图 所示 大跨
11、型拱桥低阶振型主要以受弯为主 多尺度模型和杆系模型同阶振型频率误差不超过 两种模型桥梁振型特点基本一致 总体来看:桥梁多尺度模型的动力特性与杆系模型相比并无明显差异表明此多尺度连接方法可以有效实现不同尺度模型之间的变形协调表 桥梁振型频率对比 振型杆系振型频率/多尺度振型频率/误差/杆系振型特点多尺度振型特点.拱肋横弯拱肋横弯.主梁竖弯主梁竖弯.主梁拱肋竖弯主梁拱肋竖弯.主梁横弯扭转主梁横弯扭转.主梁扭转主梁扭转.主梁拱肋扭转主梁拱肋扭转.主梁竖弯主梁竖弯.主梁拱肋扭转主梁拱肋扭转.主梁竖弯主梁竖弯.主梁拱肋扭转主梁拱肋扭转第 期韩 强等:基于多尺度模型的空间 型拱桥抗震性能分析杆系模型振型多
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