大跨度斜拉橋三維動力有限元建模方法的研究

1、 文章編號:1000-1573(2005 02-0112-04大跨度斜拉橋三維動力有限元建模方法的研究周毅姝1, 杜喜凱1, 魏建國1, 劉莉2, 王森林1, 梁素韜1(1. 河北農(nóng)業(yè)大學(xué)城鄉(xiāng)建設(shè)學(xué)院, 河北保定071001;2. 保定華電電力設(shè)計院有限公司, 河北保定071001摘要:斜拉橋是大跨度橋梁采用的重要結(jié)構(gòu)形式, 其計算模型的好壞直接關(guān)系到計算分析的準(zhǔn)確可靠性。本文對大跨度斜拉橋三維有限元動力模型建立技術(shù)的各個關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行了詳細(xì)剖析, 并對實際的建模及調(diào)整提出了完整的解決方法, 通過建立某大跨度斜拉橋的三維有限元動力模型, 并利用試驗測試的模態(tài)結(jié)果, 驗證了該模型的準(zhǔn)確性和建模方法

2、的有效性。最后對準(zhǔn)確有效地建立大跨度斜拉橋的三維有限元動力模型提出了若干有益的建議。關(guān)鍵詞:橋梁工程; 大跨度; 斜拉橋; 三維有限元; 動力模型; 模態(tài)分析中圖分類號:U 446文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AA research on modeling 3-D f ofcable -stayed ZHOU Y i 2shu 1, X i 12guo 1, LI U Li 2, LI ANG Su 2tao1(1. College , Agricultural University of Hebei , Baoding 071001, China ; 2. Power Design &Research Ins

3、titute Co. Ltd , Baoding 071000, China Abstract :-stayed bridge (CSB is an important structural style in long span bridges. A prop 2er calculation model can obtain accurate and reliable results. In this paper key steps of dynamic mod 2eling a CSB with long span are described and commented in detail.

4、 According to the modeling meth 2ods , a 3-D finite element dynamic model of a CSB with long span is established , and a whole solu 2tion to modeling and adjusting model is put forward. Efficiency and veracity of the model are veri 2fied through modal analysis and comparing with test results. Finall

5、y , some conductive suggestions for dynamic modeling a CSB with long span are provided.K ey w ords :bridge engineering ; long span ; cable -stayed bridge ; 3-D FEM ; dynamic model ; modal analysis斜拉橋是復(fù)雜的超靜定結(jié)構(gòu), 具有空間靜力特性, 理論上應(yīng)采用空間結(jié)構(gòu)來分析, 但由于斜拉橋一般用于大跨度, 恒載占了較大比例, 而空間影響主要在于活載, 靜力計算確定內(nèi)力與變形中采用空間模型模式或平面模型模式

6、, 對確定主梁的尺寸與配筋影響不大。一般出于簡化的目的, 仍然可用常規(guī)的由平面模型得到內(nèi)力與變形再乘荷載橫向分布系數(shù)的模式來考慮結(jié)構(gòu)的空間效應(yīng)。當(dāng)然直接按空間結(jié)構(gòu)來計算, 以準(zhǔn)確考慮索、塔、梁的空間共同工作效應(yīng), 顯然更符合實際, 結(jié)果也更精確些。同時在斜拉橋的抗風(fēng), 抗震等動力分析中, 由于荷載方向的隨機性, 其計算模式必須采用空間模型。一般斜拉橋的三維有限元模型有兩種, 一種為空間桿系模型, 一種為空間板殼、塊體和梁單元的組合模型1。雖然后者在理論上更接近于真實結(jié)構(gòu), 但計算量過于巨大, 且對于動力問題而言與前者差異不大, 故本文主要針對較為實用的斜拉橋的三維空間桿系模型來進(jìn)行探討。收稿日

7、期:2004-09-08作者簡介:周毅姝(1977- , 女, 河北保定人, 在讀碩士研究生, 從事結(jié)構(gòu)動力分析及故障診斷研究工作.第28卷第2期2005年3月河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報JOURNAL OF AGRICUL TURAL UNIVERSITY OF HEBEIVol. 28No. 2Mar . 20051斜拉橋的建模方法計算模型是結(jié)構(gòu)分析的基礎(chǔ), 故模型是否能真實反映結(jié)構(gòu)的特點和受力特性直接關(guān)系結(jié)果的正確性。建?？偟脑瓌t是結(jié)構(gòu)的抽象和簡化應(yīng)保持結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量的等效性及其空間分布, 支承條件要較真實地反映結(jié)構(gòu)的工作行為2。對動力模型而言這3方面直接決定了結(jié)構(gòu)的動力特征, 而橋梁結(jié)構(gòu)的動力特

8、性是車橋耦合振動及橋梁抗震、抗風(fēng)計算分析的基礎(chǔ), 故橋梁建模時對上述3點的處理是否恰當(dāng)至關(guān)重要。這其中結(jié)構(gòu)的剛度主要為桿件的軸向剛度, 彎曲剛度, 剪切剛度, 扭轉(zhuǎn)剛度, 有時包括翹曲剛度的模擬以及各桿件間的相互連接剛度, 結(jié)構(gòu)的質(zhì)量主要指桿件的平動質(zhì)量和轉(zhuǎn)動慣量, 邊界條件的模擬應(yīng)和結(jié)構(gòu)的支承條件符合, 主要考慮支座的形式, 基礎(chǔ)的形式等3。1. 1主梁建模主梁建模的第一個問題就是主梁在空間位置的確定,扭轉(zhuǎn)中心, 因為此時,中心的。,一般都大于7,起明顯的誤差2, , 重心和扭轉(zhuǎn)中心的距離較小, 。主梁的模型根據(jù)斷面形式的不同有多種模擬方式, 其核心就是模型剛度和質(zhì)量與真實結(jié)構(gòu)的等效。主梁的

9、模型目前可分單主梁模型, 雙主梁模型和三主梁模型三類。單主梁模型又可以分脊梁模式(對雙索面斜拉橋主梁則通過短剛臂與拉索相連接形成“魚骨式”模型 和形模式兩種。脊梁模式整個主梁的剛度、質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動慣量都集中在軸線的節(jié)點上, 形模式則將主梁剛度系統(tǒng)和質(zhì)量系統(tǒng)分開處理, 質(zhì)量分布在左右兩個質(zhì)點上, 能自動形成轉(zhuǎn)動慣量。單主梁模型的特點是主梁的剛度與質(zhì)量系統(tǒng)是正確的, 單元數(shù)較少, 缺點在于不能考慮主梁約束扭轉(zhuǎn)剛度的影響。對全閉口(單室或多室 箱梁斷面而言, 自由扭轉(zhuǎn)剛度較大, 約束扭轉(zhuǎn)剛度的影響較小, 故采用脊梁模式是適合的。CAICEDO 等對具有分離鋼主梁預(yù)應(yīng)力混凝土疊合梁橋面的Cape G i

10、 2 rardeau 斜拉橋的建模計算表明形模式計算的扭轉(zhuǎn)頻率低于脊梁模式, 且一階扭轉(zhuǎn)頻率低于脊梁模式的約10%, 推薦在關(guān)心扭轉(zhuǎn)頻率的建模中使用形模式4。為了使單主梁模型對形主梁或分離式主梁和橋面板組成的組合截面主梁(自由扭轉(zhuǎn)剛度較小 有一定適應(yīng)性, 可以用考慮約束扭轉(zhuǎn)剛度的等 效扭轉(zhuǎn)剛度來代替原自由扭轉(zhuǎn)剛度, 等效扭轉(zhuǎn)剛度公式的推導(dǎo)見文獻(xiàn)3。雙主梁模型由兩縱主梁組成, 中間用剛性橫梁或用實際的橫梁聯(lián)接, 主梁間距一般取兩索面的距離, 橫梁的間距取索距, 適于具有分離邊箱梁的半開口主梁。這種模式的優(yōu)點是橫梁剛度實際結(jié)構(gòu)比較符合, 主梁分布在兩側(cè), 可自動提供部分翹曲剛度, 而且桿件、節(jié)點數(shù)

11、較少, 缺點在于用剛性橫梁連接的平面框架在側(cè)向是一個剪切型桁架結(jié)構(gòu), 側(cè)向抗彎剛度失真, 由于斜拉橋的側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)是強烈耦合的, 因此側(cè)向變形的失真可能會影響起重要作用的基本扭頻的精度。文獻(xiàn)5針對雙主梁模型的缺點提出適于密索形截面形式的改進(jìn)雙主梁模型, 其核心為考慮密索型斜拉橋模橫梁間距小, 橫梁與主梁在橋平面內(nèi)可為鉸接,分離, 。, 并通, 三片主, 適于帶分離邊箱的半開口主梁斷面, 特別是自由扭轉(zhuǎn)剛度較小的開口截面. 如帶實心邊梁的板式斷面以及I 字型邊梁和橋面板相結(jié)合的開口主梁斷面。三主梁模型較準(zhǔn)確地自動反映了主梁約束扭轉(zhuǎn)剛度, 但由于桿件、節(jié)點數(shù)較多, 計算量相對較大。1. 2墩、塔

12、的建模墩、塔用三維梁單元來描述這是合適的, 因為一般其振動都是3向耦合的。這里要提的是塔單元的劃分不宜太粗, 因為單元劃分的粗細(xì)決定了堆聚質(zhì)量的分布、振型的形狀和地震力的分布。斷面變化處, 索錨點都是自然的單元節(jié)點。1. 3索的建模索的建?？捎?種形式用單個三維桿單元模擬; 用多個三維桁架單元模擬:用單個或多個曲線索單元模擬。在斜拉橋的靜力計算中用等效彈性模量且考慮索的垂度引起的非線性影響; 但在動力計算中, 就目前的跨度而言, 索的彈性模量折減與否對動力特性的影響很小, 故可不予折減, 而作為線彈性單元處理3。但通常的做法仍然用Ernst 有效彈模來考慮拉應(yīng)力和自重垂度的影響。文獻(xiàn)6利用主跨

13、430m 的Kap Shui Mun 斜拉橋的實測頻率, 比較了不同索模式對結(jié)構(gòu)動力特征的影響, 結(jié)果表明采用一個3節(jié)點曲線索單元模式效果最好, 不但可反映斜索非線性影響, 而且能夠體現(xiàn)索振動對全橋振動的影響, 特別是可以提高主梁311第2期周毅姝等:大跨度斜拉橋三維動力有限元建模方法的研究 豎向自振頻率的計算精度。而將索分為3個直桿單元除對豎彎頻率的計算精度有改善外, 并不比單桿元模式更優(yōu)。1. 4邊界的建模斜拉橋的邊界條件實際就兩種。支座:包括橫向支承(如漂浮體系斜拉橋塔柱與主梁間設(shè)置的橫向板式或聚四氟乙烯盆式橡膠支座 、拉力擺和抗震支承(有約束位移的拉索、擋塊以及油壓耗能裝置等 幾種,

14、橫向支承和拉力擺一般可根據(jù)實際剛度用拉桿模擬, 抗震支撐要考慮其非線性特性, 可采用彈簧阻尼模型來模擬; 基礎(chǔ):一般對擴大基礎(chǔ)、沉井或箱基礎(chǔ)、錨碇等的處理比較簡單, 可視為固端。樁基礎(chǔ)的處理較為復(fù)雜, 常用的有邊界單元模式和樁基模式兩種, 分別采用等代群樁的彈簧和三維梁單元加等代土彈簧來模擬。2大跨度斜拉橋三維有限元動力模型的建立應(yīng)力鋼筋混凝土斜拉橋, 全長122, 用墩、塔、50+115m +338m +面, 6的標(biāo)準(zhǔn)主梁節(jié)段包含一個橫隔板和8厚瀝青鋪裝的重量, 為調(diào)查約束扭轉(zhuǎn)剛度的影響, 本研究采用了等效扭轉(zhuǎn)剛度, 對該橋主梁各主要斷面形式的計算結(jié)果表明等效約束扭轉(zhuǎn)剛度較自由扭轉(zhuǎn)剛度僅01

15、29%113%, 絕大部分主梁段斷面在0135%左右, 可見對閉口斷面斜拉橋, 其自由扭轉(zhuǎn)剛度較大, 實際可不考慮主梁約束扭轉(zhuǎn)剛度的影響。三維動力模型共采用三維桿系單元504個, 其中橋塔, 邊墩, 輔墩及橋面采用三維梁元共計404個, 這其中包括索錨點和位于扭心的主梁軸線間采用的剛臂單元, 共100個, 其剛度為主梁剛度的1000倍。斜拉索則采用三維桿元共計100個, 并采用Ernst 等效彈模來考慮拉應(yīng)力和自重垂度的影響。邊界條件方面, 主梁與邊墩僅約束豎向位移和橫向位移, 輔墩放松繞垂直于橋平面的坐標(biāo)軸,z 軸的轉(zhuǎn)動自由度, 所有邊墩和輔墩底均采用固接, 具體的模型參見圖1 1。圖1某斜

16、拉橋三維有限元模型Fig. 1Three -dimensional FEM of the CSB表1模型基本材料參數(shù)T able 1B asic m aterial parameters of the FEM項目Item主塔Main tower主梁G irder主墩Pier邊墩End pier輔墩Auxiliary pier鋼索Cable彈模(N m -231651010410101031510103131010313101011951011密度(kg m -3 3模態(tài)分析及模型調(diào)整圖2某斜拉橋前4階振形圖Fig. 2The low est 4mode shapes of the CSB根據(jù)以

17、上的模型及物理條件, 用lanczos 迭代法計算得到橋前5階模態(tài)參見表3第3列和圖2(前4階模態(tài) 。觀察某斜拉橋前5階模態(tài)以及原始模型的計算頻率與實測頻率的差異可知, 模型在模擬主塔及全橋沿橋軸線運動方面存在較大誤差, 前2階模態(tài)的誤差分別為11151%和7122%, 其余各階的誤差較小, 所以模型調(diào)整的目標(biāo)注意是降低前2階模態(tài)的差異。將整個橋模型劃分為主塔、主梁、主墩、輔墩、邊墩和斜拉索5個子結(jié)構(gòu)。由于鋼拉索的材料屬性變異性小且索力測試結(jié)果較為可靠, 故認(rèn)為斜拉索部分的剛度及質(zhì)量模擬是準(zhǔn)確的, 不參與本次模型調(diào)整。對其余4部分, 本文提出頻率對它們的相對敏感度為:S ij =(f f f

18、(P 0j -P 1j P 0j (1 式中S ij 表示第i 階頻率f i 對第j 個子結(jié)構(gòu)材料參數(shù)P j 的敏感度。0表示模型調(diào)整前的初始狀態(tài), 1411河北農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報第28卷表示某參數(shù)值變異后的狀態(tài)。分別以各子結(jié)構(gòu)彈性模量E 和混凝土密度的一定程度的變異得到頻率對材料參數(shù)相對敏感度的計算結(jié)果列于表2。由表2可清楚看出主塔、主墩和主梁的參數(shù)敏感度較大, 而輔墩及邊墩的結(jié)構(gòu)參數(shù)變異對結(jié)構(gòu)前5階頻率幾乎沒有影響。故對于符合對頭2階模態(tài)敏感, 而對后3階模態(tài)影響較小這一條件的控制參數(shù), 綜合考慮可選擇為主塔質(zhì)量密度和主墩彈性模量。具體的調(diào)整步驟為:剛性區(qū)剛度的調(diào)整:結(jié)構(gòu)節(jié)點交匯會因構(gòu)造原因形成

19、一剛度很大的區(qū)域, 而使用桿系有限元, 一般無法真實模擬該區(qū)域的力學(xué)特性。本模型的剛性區(qū)顯然為墩塔梁的交接區(qū)域, 這一區(qū)域的特點是橋平面內(nèi)的抗彎剛度有較大程度的增強, 而垂直橋平面的抗彎剛度幾乎不會增加?？紤]這種差異的簡單 辦法為提高剛性區(qū)單元的彈模, 并調(diào)整該剛性區(qū)垂直橋平面的抗彎慣性矩, 使該向抗彎剛度保持不變, 以此來基本反映剛性區(qū)的工作狀態(tài)7。故根據(jù)文獻(xiàn)7的結(jié)論本模型將墩塔梁的交接區(qū)域的彈模擴大1000倍, 同時垂直橋平面的抗彎慣性矩縮小1000倍, 來模擬墩梁的剛性區(qū)的工作狀態(tài)。結(jié)構(gòu)參數(shù)的調(diào)整:經(jīng)過不斷試算并控制調(diào)整幅度不超出實際可能發(fā)生概率的10%, 為將主塔質(zhì)量密度提高到2750

20、kg m 3, 同時將主墩彈性模量降至3121010N m 2, 相對原值, 調(diào)整的幅度分別為5177%和8157%。修整模型的計算頻率列于表3的第4列。表3第6列的結(jié)果表明, 調(diào)整后模型的動力特征與實測結(jié)果更為吻合, 基本可反映結(jié)構(gòu)的真實情況。表2頻率對材料參數(shù)相對敏感度的計算結(jié)果T able 2C alculation results of sensitivity of to階次Order主塔EMain tower E主塔Main tower 主梁EG irder E主梁G irder主墩EEnd pier E輔墩和邊墩End pier 1 2 3 4 5 0101001302013750

21、101201095010790137701010100901284013740131911830111301026010600102701002010010100001001010290100101006010010106201007 01000 01000 01000 01004表3某斜拉橋的基本頻率及修正結(jié)果T able 3B asic frequencies and upd ating results of the CSB階次Order 實測頻率Frequency計算頻率Frequency修正頻率Frequency 振形描述Mode shapes1 2 3 4 012490127801322013950126801310013260139201257700130207013179701393487163%11151%1124%-0176%3149%8165%-1125%-0138%一階縱向漂移主塔一階對稱出平面彎曲主塔一階反對稱出平面彎曲主梁一階對稱豎向彎曲主梁、主塔一階對稱出平面彎曲4結(jié)論本研究對大跨度斜拉橋的動力建模方法進(jìn)行了剖析, 并針對實際工程提出了完整的