大跨度鋼索和CFRP索斜拉橋車橋耦合振動(dòng)

第9卷第17期2009年9月 167121819(2009)1725245204 科學(xué)技術(shù)與工程 sciencetechnologyandengineering vol19no117sep.2009 n2009sci1tech1engng1 交通運(yùn)輸 大跨度矮塔斜拉橋索力參數(shù)分析 官權(quán) (華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院,廣州510640) 摘要以沙灣特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,采用橋梁博士310有限元程序,建立了該橋梁最大懸臂施工階段和成橋階段的有限元模 型。對(duì)索力參數(shù)變化引起各主梁、主塔的敏感性進(jìn)行分析,并提出了結(jié)構(gòu)的變化趨勢(shì)及原因。所得結(jié)果可以為同類橋梁設(shè)計(jì) 和施工提供參考。 關(guān)鍵詞矮塔斜拉橋索力敏感性參數(shù) 中圖法分類號(hào)u448.29;文獻(xiàn)標(biāo)志碼a 2009年5月14日收到 作者簡(jiǎn)介:

斜拉橋索—塔—梁耦合參數(shù)振動(dòng)——綜合考慮拉索的垂度、傾角、幾何非線性，建立了斜拉索-塔-主梁耦合振動(dòng)模型，推導(dǎo)出三自由度非線性參數(shù)1振動(dòng)微分方程組。以國(guó)內(nèi)某橋?yàn)楣こ瘫尘?，分析參?shù)振動(dòng)可能性，研究參數(shù)振動(dòng)特性，分析了傾角、初始擾動(dòng)、阻尼對(duì)索振動(dòng)效...

研究了斜拉橋發(fā)生索梁耦合共振的機(jī)理與條件,充分考慮了拉索振動(dòng)的幾何非線性、垂度與橋面剛度的影響,建立了索梁耦合振動(dòng)的數(shù)值計(jì)算模型。計(jì)算結(jié)果表明,拉索發(fā)生大幅振動(dòng)與斜拉橋主梁的剛度以及拉索本身的振動(dòng)特性有關(guān),拉索可能在主梁振動(dòng)的作用下發(fā)生1∶1的主共振或2∶1的主參數(shù)共振。根據(jù)計(jì)算結(jié)果討論了這兩種共振的性質(zhì),提出了抑制索梁耦合共振的方法。

根據(jù)平行鋼絲索的特點(diǎn)以及制作、安裝施工工藝,結(jié)合斜拉索施工過(guò)程中加扭、退扭現(xiàn)象,分析了斜拉索加扭或退扭現(xiàn)象產(chǎn)生的原因和危害,提出施工防治措施及后續(xù)平行鋼絲斜拉索制作、施工建議。

目前，斜拉橋是大跨徑橋梁中常見(jiàn)的橋梁形式。斜拉索由于長(zhǎng)期處于高應(yīng)力狀態(tài)，且長(zhǎng)期暴露在外，容易發(fā)生腐蝕、斷絲甚至斷索等病害，嚴(yán)重影響斜拉橋的正常使用。文章結(jié)合工程實(shí)例對(duì)大跨度斜拉橋換索的施工及監(jiān)測(cè)等過(guò)程進(jìn)行了闡述。

針對(duì)大跨度組合梁斜拉橋的結(jié)構(gòu)特性,結(jié)合工程實(shí)例,通過(guò)對(duì)大跨度組合梁斜拉橋拉索安裝時(shí)不同施工方法的理論分析和力學(xué)計(jì)算,得出相對(duì)優(yōu)化的結(jié)論,研究成果對(duì)同類型橋梁的施工具有一定的參考價(jià)值。

大跨度斜拉橋柔性拉索的施工技術(shù)是斜拉橋施工難點(diǎn),準(zhǔn)確的下料長(zhǎng)度(即無(wú)應(yīng)力索長(zhǎng))和合理的安裝方法是保證斜拉橋結(jié)構(gòu)受力符合設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵工序。本文推導(dǎo)了柔性拉索下料長(zhǎng)度的一種新算法,闡述了吊點(diǎn)法安裝柔性拉索的工藝,工程實(shí)踐證明了新的計(jì)算方法和安裝技術(shù)的優(yōu)越性。

大跨度斜拉橋拉索更換施工技術(shù)

大跨度獨(dú)塔雙索面斜拉橋靜動(dòng)載試驗(yàn)研究——瀘州泰安長(zhǎng)江大橋?yàn)橹骺?43m跨徑的獨(dú)塔雙索面斜拉橋。介紹對(duì)該主橋進(jìn)行的理論分析與靜載、動(dòng)載試驗(yàn)研究，并將試驗(yàn)結(jié)果與理論分析結(jié)果作了比較。試驗(yàn)結(jié)果表明橋跨結(jié)構(gòu)受力合理，具有良好的剛度與強(qiáng)度。

分別應(yīng)用廣義虛功原理和有限元法建立車輛和橋梁的振動(dòng)方程,根據(jù)車-橋兩系統(tǒng)之間隨時(shí)間變化的接觸點(diǎn)滿足接觸力和位移的協(xié)調(diào)條件,應(yīng)用通用結(jié)構(gòu)分析軟件ansys建立車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)的有限元迭代分析模型,并進(jìn)行數(shù)值求解。以一座公路曲線梁橋?yàn)槔?分別進(jìn)行了不同車速和是否計(jì)入離心力、橋面不平整度等條件下的車橋耦合振動(dòng)響應(yīng)分析。結(jié)果表明:離心力對(duì)橋梁豎向動(dòng)態(tài)響應(yīng)影響不大,但使橋梁扭轉(zhuǎn)角動(dòng)態(tài)響應(yīng)加劇;隨著車輛速度的增加,振動(dòng)響應(yīng)波動(dòng)的幅值越來(lái)越大,頻率越來(lái)越低,周期變長(zhǎng);橋面不平整度對(duì)橋梁的車橋耦合振動(dòng)影響很大,分析中應(yīng)予以考慮。

為了研究碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料(cfrp)索和鋼索斜拉橋在地震響應(yīng)和抗震性能方面的差異,以蘇通長(zhǎng)江公路大橋?yàn)閰⒖冀⒘擞邢拊獎(jiǎng)恿W(xué)模型。采用等軸向剛度準(zhǔn)則進(jìn)行鋼索和cfrp索的替換,利用時(shí)程分析法比較了不同索斜拉橋的地震響應(yīng)值,并進(jìn)行了抗震驗(yàn)算和評(píng)價(jià)。結(jié)果表明:相對(duì)鋼索斜拉橋,cfrp索斜拉橋的自振頻率有明顯提高,位移和內(nèi)力地震響應(yīng)值減小,響應(yīng)衰減較快,且抗震性能優(yōu)勢(shì)明顯,其原因是cfrp索斜拉橋自重輕、索橋耦合振動(dòng)的概率小、索的材料阻尼大等;所得結(jié)論可為cfrp索在大跨斜拉橋中的應(yīng)用提供參考。

雙鏈?zhǔn)綉宜鳂蜍嚇蝰詈险駝?dòng)研究——采用單個(gè)移動(dòng)質(zhì)量一彈簧一阻尼模型模擬車輛，應(yīng)用達(dá)朗貝爾原理和位移協(xié)調(diào)條件，推導(dǎo)出車橋耦合振動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方程．考慮幾何非線性及橋面不平度因素，就車輛沿橋縱軸向中心行駛和偏心行駛2種工況，探討單個(gè)移動(dòng)車輛荷載對(duì)雙鏈懸索...

隨著跨度的增大,自重對(duì)單索的影響就越明顯,frp(纖維增強(qiáng)復(fù)合材料)索的自重小,在大跨度結(jié)構(gòu)中應(yīng)用具有優(yōu)勢(shì)。單索的理論計(jì)算是索結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)。單索在自重作用下的求解,按照不同的假設(shè),有彈性的懸鏈線解答、懸鏈線解答和拋物線解答。針對(duì)工程應(yīng)用,以索端張拉軸力為已知量,推導(dǎo)了3種解答方法的求解方程,得到了關(guān)于張拉軸力的一元方程,方便了工程應(yīng)用。另外,分別對(duì)斜拉索和水平索的懸鏈線解和拋物線解的精度進(jìn)行了分析和比較,建議了2種近似求解方法的使用范圍。根據(jù)求解結(jié)果,對(duì)frp索和鋼索的極限跨度進(jìn)行了分析;結(jié)果表明frp索有利于實(shí)現(xiàn)更大的跨度。frp索的極限跨度可達(dá)鋼索的4.4倍。

本文采用3-d全車模型和模態(tài)坐標(biāo)法,以路面豎向不平順為激勵(lì)源,建立車-橋耦合振動(dòng)微分方程,用runge-kutta法求解,據(jù)此思路用matlab編制車-橋耦合振動(dòng)的計(jì)算程序,并進(jìn)行了frp橋面板鋼梁橋的振動(dòng)分析,模擬結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比符合較好,表明該方法正確有效,可用于分析各種車橋耦合振動(dòng)問(wèn)題。

為了評(píng)估高速鐵路上多線鐵路橋梁列車運(yùn)行安全性與舒適性,以渝黔鐵路白沙沱大橋?yàn)槔?采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)軟件simpack建立了crh3動(dòng)車和拖車三維空間動(dòng)力學(xué)模型,并通過(guò)simpack的子結(jié)構(gòu)技術(shù)將動(dòng)車和拖車組裝成列車動(dòng)力學(xué)模型;采用有限元軟件ansys建立了橋梁的動(dòng)力分析模型,計(jì)算其自振特性.根據(jù)列車和橋梁子系統(tǒng)之間的變形協(xié)調(diào)條件和力平衡條件,在輪軌接觸面的節(jié)點(diǎn)上進(jìn)行位移和力的數(shù)據(jù)傳遞,基于simpack與ansys相結(jié)合的聯(lián)合仿真方法首次進(jìn)行多線車橋耦合振動(dòng)仿真,分析了橋梁動(dòng)力學(xué)指標(biāo)及列車安全性指標(biāo)和舒適性指標(biāo),探索了多線車橋耦合振動(dòng)的一般規(guī)律和對(duì)列車安全性與舒適性的影響程度.研究結(jié)果表明:(1)三線列車共同作用下,與單線單獨(dú)行車時(shí)對(duì)應(yīng)動(dòng)車和拖車的車輛安全性指標(biāo)(脫軌系數(shù)、輪重減載率及輪軌橫向力)幾乎完全一致;車輛舒適性指標(biāo)(車體豎向加速度、車體橫向加速度、豎向舒適度指標(biāo)及橫向舒適度指標(biāo))中除個(gè)別豎向加速度約10%外,其余指標(biāo)都在1%以內(nèi),表明由于橋梁剛度較大,橋梁振動(dòng)對(duì)列車動(dòng)力學(xué)指標(biāo)的影響很小,單線和多線對(duì)應(yīng)動(dòng)力學(xué)指標(biāo)非常接近,可近似采用單線單獨(dú)行車時(shí)車輛動(dòng)力學(xué)指標(biāo)推測(cè)多線同時(shí)行車的對(duì)應(yīng)指標(biāo).(2)三線列車共同作用下橋梁主跨跨中豎向位移比單線疊加位移略大,相差1%以內(nèi),豎向位移影響系數(shù)在1.001~1.006之間;三線列車共同作用下橋梁主跨跨中橫向位移與單線代數(shù)疊加位移相近,相差±10%以內(nèi),主跨跨中橫向位移影響系數(shù)在1.000左右,可以近似采用單線疊加的豎向位移和橫向位移推測(cè)三線列車共同作用下的豎向位移和橫向位移.(3)三線列車共同作用下橋梁主跨跨中豎向加速度絕對(duì)值比單線代數(shù)疊加后的絕對(duì)值小,影響系數(shù)在0.636~0.771之間,可參照單線代數(shù)疊加的橋梁豎向加速度保守評(píng)定橋梁的豎向加速度;三線列車共同作用下的主跨跨中橫向加速度絕對(duì)值比單線行車橫向加速度絕對(duì)值中的最大值小,可參照單線橫向加速度絕對(duì)值的最大值保守評(píng)定橋梁橫向加速度.

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大跨度高塔斜拉索的掛設(shè)是斜拉橋施工的關(guān)鍵工程,本文通過(guò)對(duì)斜拉索的牽引、掛設(shè)施工方法的介紹,為日后同類型斜拉索的施工及運(yùn)營(yíng)階段的換索提供參考、借鑒。

運(yùn)用車輛-線路-橋梁耦合振動(dòng)理論,建立相對(duì)完善的車輛-線路-橋梁耦合動(dòng)力學(xué)模型。以某座主跨為1120m的懸索橋方案為工程背景,對(duì)該方案在ice3列車以速度160～300km/h作用下橋梁、軌道和車輛的動(dòng)力性能進(jìn)行分析,并對(duì)主纜和吊索在不同索力下橋梁和車輛的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比研究。

針對(duì)現(xiàn)階段斜拉索設(shè)計(jì)所面臨的難題,提出了一種新型的基于碳纖維增強(qiáng)塑料(cfrp)與鋼組合斜拉索的斜拉橋方案.該方案將cfrp斜拉索與傳統(tǒng)鋼斜拉索分別應(yīng)用于斜拉橋恒載活載狀態(tài),發(fā)揮cfrp材料高強(qiáng)輕質(zhì),鋼材料彈性模量大的優(yōu)勢(shì)而同時(shí)又彌補(bǔ)各自缺點(diǎn).介紹了該組合方案的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵力學(xué)參數(shù),并利用參數(shù)分析給出推薦取值.通過(guò)構(gòu)造和全橋研究可以得出:與全鋼斜拉索斜拉橋相比,該組合斜拉索斜拉橋垂度效應(yīng)小,自重輕;而與全cfrp斜拉索斜拉橋相比,其整體剛度大,價(jià)格便宜.從理論上證明了這種組合斜拉索的力學(xué)優(yōu)勢(shì)和替代傳統(tǒng)鋼斜拉索或全cfrp斜拉索應(yīng)用在斜拉橋上的可行性.

為克服大跨徑斜拉橋整體剛度降低,提出一種新型斜拉橋方案,即cfrp與鋼組合拉索斜拉橋,介紹碳纖維增強(qiáng)塑料cfrp與鋼組合拉索斜拉橋的設(shè)計(jì)理念,并提出斜拉索構(gòu)造以及斜拉橋結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,研究了cfrp與鋼組合拉索斜拉橋經(jīng)濟(jì)性能,并推導(dǎo)出該類斜拉橋的材料用量與造價(jià)公式.基于所推導(dǎo)公式,對(duì)其跨長(zhǎng)、塔高以及價(jià)格比分別進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性能參數(shù)分析,得到cfrp與鋼組合拉索斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能變化規(guī)律,為該類斜拉橋設(shè)計(jì)提供理論依據(jù),從理論上證明cfrp與鋼組合拉索斜拉橋的經(jīng)濟(jì)性能優(yōu)勢(shì)和未來(lái)替代傳統(tǒng)斜拉索應(yīng)用在斜拉橋上的可行性.

近年來(lái)，隨著我國(guó)鋼箱梁技術(shù)的成熟以及其設(shè)計(jì)理論和計(jì)算方法的不斷提高，再加上其無(wú)與倫比的競(jìng)爭(zhēng)力和適應(yīng)能力，目前鋼箱梁斜拉橋已經(jīng)在實(shí)際中得到了非常廣泛的應(yīng)用。對(duì)于鋼箱梁斜拉橋來(lái)說(shuō)，索梁錨固區(qū)是斜拉索與主梁之間傳遞力量的重要結(jié)構(gòu)，在對(duì)斜拉橋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)這一部分加以特別注意。鑒于此，本文擬從鋼箱梁斜拉橋概述、犬跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)的型式以及大跨度鋼箱梁斜拉橋索梁錨固結(jié)構(gòu)型式的比較等幾個(gè)方面來(lái)進(jìn)行分析與闡述，以期加深對(duì)這一問(wèn)題的認(rèn)識(shí)與理解程度。

斜拉橋鋼索的腐蝕防護(hù)