V型墩预应力连续刚构桥结构动力分析和试验研究

2003年第1期(总第101期)

V型墩预应力连续刚构桥结构动力分析和试验研究

项贻强　胡峰强　朱卫国

(浙江大学交通工程研究所,杭州310027)

摘要:义乌市宗泽大桥主桥为三跨预应力混凝土V型墩连续刚构桥。为了检测桥梁结构的动力性能,对该桥进行了动载试验。采用四边型板单元的空间有限元方法对其进行动力有关分析,并与试验结果进行比较。结果表明:该桥以竖向弯曲振动为主,且实测频率比理论值大。冲击系数的大小与车辆行车速度的相关关系不明显。

关键词:V墩预应力　连续刚构　动力分析　动力试验

　　V墩连续刚构具有连续梁和斜腿刚架的受力特性。这种桥型与相同跨径的连续梁桥相比,缩短了

计算跨径、降低了梁高;与墩梁固结连续梁相比,减少了跨中和支点部位的弯距,同时结构轻巧美观,是城市立交桥的较好型式之一。1　工程背景

义乌市宗泽大桥工程为宗泽路跨东阳江的跨河桥,桥梁全长291m,宽42m,其中两侧人行道各宽3.0m。主桥为三跨(46.8m+72m+46.8m)预应力变截面双箱双室变截面V型墩连续刚构,桥墩分离,详见图1。两端引桥各为3m×20m双箱多室预应力混凝土连续梁,桥墩分离,其中间墩采用预应力暗

)型支墩,边墩为排梁。主桥中墩为分离式的V(90°

架墩,基础采用天然明挖扩大浅基础,并嵌岩,基底为中等风化基岩。设计荷载为城-A级,人群荷载

为3.5kN/m2,主梁混凝土设计标号为C50,与V墩斜腿固结处梁高3.0m,跨中梁高1.8m,纵横竖三向布置预应力筋;引桥箱梁采用双箱四室等截面,梁高1.50m,纵横双向布置预应力筋;预应力材料采用󰂡j

b

15.24mm高强低松弛钢绞线,标准抗拉强度为Ry=1860MPa,锚具采用OVM15系列、BM15系列、YGM-25锚固端或张拉端锚具。地震基本裂度:6度。由

于这样大跨度的V墩预应力连续刚构桥在浙江省修建尚属首次,为全面了解该桥在移动荷载下的动力行为,为同类结构的设计积累经验和数据,我们进行了空间动力理论分析和试验研究。

图1　主桥立面图(单位:m)

2　空间有限元理论分析

结构无阻尼自由振动的特征方程为

2

(K-ωM)δ=0

式中:K为刚度矩阵;M为质量矩阵;ω为圆频率;δ为特征向量。

用ANSYS有限元程序进行理论动力分析,根据结构的变形特点采用空间四边型板单元,即将箱梁的顶板、腹板、底板和V墩模拟成四边型板单元,计算模型见图2。前10阶频率理论分析结果见表1。前3阶频率相应振型见图3。

图2　空间有限元模型

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表1　主桥连续刚构理论分析各阶自振频率(单位:Hz)

阶次理论值

12.095

23.25

33.624

43.981

54.012

64.278

74.496

84.601

94.825

105.898

(1)第一阶振型(竖向反对称弯曲)

(2)第二阶振型(竖向对称弯曲)

(3)第三阶振型(横向扭转)

图3　空间有限元计算的前三阶振型

3　动力性能研究

桥梁结构动力性能是评价桥梁运营状态和承载能力的重要指标。判别桥跨结构是否处在安全振动工作状态,是桥梁动力试验的主要目的。桥跨结构的自振特性和受迫振动响应,是动力试验的主要内容。3.1　脉动试验

对大跨度桥梁结构,可利用结构由于外界各种因素所引起的微小而不规则的振动来确定结构的动力特性,这种微振动通常称为“脉动”。它是由自然风、地脉动、机器,或车辆引起的挠动。其中包含的频率成份相当丰富,不需要任何激振设备,又不受结构形式和大小的限制,特别适用于测量结构整体的自振特性。可采用高精度的测振设备记录该随机振20

动信号,通过计算机进行频谱分析可得到被测结构的自振特性。

本试验通过布置在桥上的加速度传感器,测得该桥的脉动加速度时程曲线如图4所示。　　考虑各测点之间相位的差异性,对脉动加速度时程曲线作自功率谱分析(见图5)可知,该桥实测自振频率(从低到高)显著成份有:2.238,3.291,4.088,4.413,4.513,4.6和4.788Hz。与理论分析结

果相比,总体上实测值比理论值大。分析其原因主要是脉动法测试时,结构基本处于“静止”状态,各类支座的作用力由于摩阻力的存在而变得不明显,而且由于非结构部件(如桥面铺装)参与箱梁受力,客观上使结构的整体刚度有所提高。

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项贻强　胡峰强　朱卫国

图4　脉动试验加速度时程曲线

图5　脉动试验功率谱分析

3.2　跳车试验

一辆300kN的试验车分别在中跨跨中A-A和边跨跨中B-B处(见图1),以重轮越过高度为15cm左右的楔型体垫木,突然下落冲击桥面,引

平均阻尼比为1.8%。3.3　跑车试验

该试验是为了测试桥梁结构在运行车辆作用下的动力反应。冲击系数的大小综合反映了桥梁结构的受力性能、桥面平整度、以及运行车辆的动力性能、车速等因素的影响。因此冲击系数往往成为衡量车辆荷载对桥梁动力作用的重要参数。用两辆试验车(单车总重约300kN)分对称(2辆试验车)和非对称(1辆试验车)两种情况以10km/h至50km/h的速度匀速行驶通过桥跨,测量桥梁中跨跨中A-A和边跨跨中B-B(见图1)在不同车速

起桥和车辆同时振动,桥梁结构将做自由衰减振动。通过该试验可测得结构的自振频率和阻尼。由加速度测得该桥跳车试验加速度时程曲线见图6和图7。

对跳车试验加速度时程曲线作功率谱分析(见图8)可知,结构主要以第2阶和第3阶自振频率(3.325Hz和4.1Hz)振动,与脉动试验测试结果相近,这是由于南半幅单侧跳车冲击同时引起桥梁结构竖向弯曲和横向扭转振动;对跳车试验加速度时程曲线(见图6和图7)进行时域分析,计算得结构

下的动挠度,并计算出相应的冲击系数。该桥的冲击系数实测值见表2,图9给出了冲击系数随车速的变化曲线。

图6　中跨跨中跳车试验加速度时程曲线

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　　　中国市政工程

2003年第1期(总第101期)

图7　边跨跨中跳车试验加速度时程曲线

图8　跳车试验功率谱分析

图9　各截面的冲击系数随车速变化曲线

表2　各车速下的实测冲击系数值

测试截面中跨跨中边跨跨中

试验车辆数

10

1辆车2辆车1辆车2辆车

1.0191.0691.0311.043

201.0371.0781.0461.061

301.0101.0391.0151.030

401.0631.0291.0411.004

501.0901.0101.1001.052

车速(km/h)

论分析的结果与实测频率基本吻合。但总体上实测

频率比理论值大,这说明该桥实际刚度优于设计值。

2)该桥以竖向弯曲振动为主。

3)冲击系数的大小与车辆行车速度的相关关系不明显。动载对该桥产生的冲击系数值较小,表明桥面平整度良好,实桥的桥面确实非常平整。参考文献

1　中华人民共和国交通部.公路桥涵设计规范(合订本).19892　建设部颁.城市桥梁设计准则CJJ11-93.北京:中国建筑工业出

　　从表2和图9看出:1)实测的冲击系数与车辆行车速度之间的规律并不明显。单车跑车试验实测冲击系数较大值发生在车速40km/h～50km/h之

间。2)车辆对边跨跨中的冲击作用要比对中跨跨中的冲击作用大。3)2辆车行驶引起冲击并不一定比单车大,这说明不同激励在作用时间和相位上的差异会使冲击减小,这对桥梁将来的运营是有利的。4　结论

1)该桥的平均阻尼比为1.8%,且空间有限元理22

版社,1997

3　交通部公路科学研究所等单位编.大跨径混凝土桥梁的试验方

法.1982

4　胡大琳主编.桥涵工程试验检测技术.1999

5　项贻强.桥梁结构分析的数值方法及程序.北京:人民交通出版

社,1993

(收到修改稿日期:2002—11—30)

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ChinaMunicipalEngineering

No.12003(SerialNo.101)Abstracts

(GuangzhouMunicipalGroupCo.Ltd.,

Guangzhou510060)

effectiveresultforprolongingtheroadmaintainingtimeandreducingthecost.

Keywords:pavement,transversecrack,repairingmaterial,technology,resultsobservation

DynamicAnalysisandTestResearchonStructureofPrestressedContinuousRigid

FrameBridgewithV2shapedPiersXiangYiqiang　HuFengqiang　ZhuWeiguo

(TransportationEngineeringResearchInstitute,ZhejiangUniversity,Hangzhou,310027)

Severalnewtechnologiessuchasfoundationconstructioninlavaarea,installationoflargecomponentsovernarrowspaceandtrunkroads,globalpositioningsystemandpavingwithnewfiberetc.

areusedinconstructionoftheSanyuanli

Interchange,akeyknobsystematthesouthentranceofGuangzhouNewAirportFreeway2theNo.1roadinsouthChina.

Keywords:interchangeengineering,construction,newtechnology

StudyofTemperatureDifferenceduetoSunshineonBroadBoxGirderSectionswithCurvedBottom

ZhuBo　LuGuanglu

(BridgeDepartment,TongjiUniversity,

Shanghai200092)

DynamicloadingtestsaremadeonZongzeBridge,athree2spanprestressedconcretecontinuousrigidframebridgewithV2shapedpiersinYiwucity,tofindoutthedynamicperformanceofbridgestructure.Afterthedynamicanalysiswithspacefiniteelementmethodofquadrangleflatelementandthecomparingwithtestresults,itshowsthatthebridgeismainlyofverticalbendingvibrationandthepracticalfrequencyismorethanthatintheory,andtherelationbetweentheimpactcoefficientandvehicledrivingspeedisnotobvious.

Keywords:prestressedV2shapedpier,continuousrigidframe,dynamicanalysis,dynamictest

DesignandApplicationofInterlocking

Cast2in2situPilesinBasePitJiangHong　LinYongmei

(ShanghaiUrbanConstructionDesign&Research

Institute,Shanghai200011)

Thetestsandtheoreticanalysisontemperaturegradientandtemperaturedisplacementduetosunshineonbroadboxgirdersectionswithcurvedbottomshowthatwhentemperaturedifferencebetweenthetopoftopplateandthebottomofbottomplateisnotsolarge,itwouldmainlyconcentrateinthe0.5mrangefrombridgedeckdistributinglinearly.Andboththetransverseendsofthegirdersectionwillhavedownwardsflexureevenuptoabout2mminstrongsunshinelight.

A

simple

calculation

methodfor

temperature

displacementunderthesunshineongirdersectionisprovedtobefeasible.

Keywords:boxgirder,section,temperaturegradient,temperaturedisplacement

Interlockingcast2in2situpileisanewtypeofperimeterstructurewithgoodpilingquality,highverticalprecision,betterperformance2costratioandenvironmentaleffects,eliminatingwater2stopcurtain,slurrydisposaletc.

The

ChenWenyan　MaKunquan

(ShanghaiTunnelEngineering&RailTransitDesignandResearchInstitute,Shanghai200070)

AnAnti2seismicStudyonXinminLineElevated

BridgeofRailTransit

performance,designmethodandconstructionkeypointsofinterlockingcast2in2situpileofbasepitaredescribedtogetherwithdesignexamples.

Keywords:basepit,perimeterstructure,interlockingcast2in2situpile

ApplicationofNewTechnologyinSanyuanli

InterchangeProject

YuGuisheng

WiththeconsiderationofthesinglecolumnpierdesignofShanghairailtransitXinminLineandthejointlesstracklaidontheelevatedbridge,amechanicsmodelforthepowerinteractionsofelevatedbridgestructure2pilefoundation2earthissetup.Calculationonelasticandnon2linearearthquakeresponsewithprojectsitewaveiscarriedout,andanti2

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