文摘

在钢管混凝土(钢管混凝土拱桥的净跨400米为例,深入分析其固有振动特性是由建立有限元模型。然后,三维埃尔森特罗记录波振幅调制后作为兴奋波;三种单维度下的结构响应和四种多维激励和0∼90°转换X(纵向)+Y(横向)正交激励评价相结合。结果表明,大跨度的结构上拱桥延伸的纵向和垂直维度的同时,和模式形状密度和质量分布multidirection multiangle耦合。与激励维度的增加,和弦轴向力的价值和相对比例增加。最大轴向力的比率X+Y来X和Y为2.1,最大轴向力的比例X+Y+Z(纵向)X+Y,X+Z,Y+Z1.4、1.8和1.8;的位移X和Y方向联合激励下独立的位移Z方向是其耦合项,但下的位移X+Y+Z结合激励只有10%大于下X+Z和Y+Z激励相结合。联合激励下的X+Y与0°角变化∼90°,和弦的轴向力的变化在不同的位置和在同一截面拱肋的空间特征。上、下杆轴向力的变化范围从0.63到1.35,从0.81到1.51,分别的位移的变化趋势X和Y方向相对一致,位移的变化Z方向是异步的,和拱顶截面的位移增加一次。这座桥的地震反应类型在多维和multiangle激发显示明显的叠加。

1。介绍

在过去的20年中,中国的钢管混凝土拱桥的建设经历了一个相对集中的突破,质量,和数量,国家仍然保持全球领先地位在拱桥的施工1]。然而,近几十年来,高强度地震地区的大地震严重威胁人类安全,对国民经济造成巨大损失。桥梁发挥重要作用在灾后救援和重建活动,和地震的研究已经受到国内外学者越来越多的关注(2]。质量分布的甲板大跨度钢管混凝土拱桥的大于桥台施加到地上,导致结构的动态特性,如自然振动周期长,小的振动阻尼比,高阶振动模式的重大影响,和大的差异在各种组件的固有振动特性3]。

地震损伤评估的结果和振动理论研究表明,地震可以分解成三个正交翻译组件和三个正交旋转组件(4,5]。由于不同的震源机制、变量波传输介质(6),地震波传播方向和角度的不确定性7),地面运动的多个正交的自由度往往是耦合的。显然不足以研究只一维地震行动,和地面运动的多维耦合也需要考虑8]。雪et al。9)总结了多维地震动的输入问题,计算方法的结构。Zhang et al。10]研究了大跨度的空间响应甲板多维地震激励下铁路钢桁架拱桥。Farahmand-Tabar和Barghian11)进行混合梁的三分量正交的地震激励分析大跨度钢管混凝土拱桥和斜拉桥。黄等。12)进行试验研究钢管混凝土拱桥的抗震性能使用多个振动台激励。罗等。13]研究了拱桥的地震响应的各种材料和结构形式采用独立输入的激励模式,同时在三个正交方向输入。陈和郭14]研究了结构响应的一半来自相关的连续钢桁架拱桥在单向和双向地震动输入。戴et al。15]分析了振动控制的多维地震激励下的塔。赵和周16)调查的结构响应一篮子大跨度钢管混凝土拱桥在多维地震激励。Zhang et al。17)使用pseudoexcitation方法全面分析钢管混凝土拱桥的结构响应在地震三维空间。李等人。18]分析了大跨度连续梁拱桥的结构响应在multisupport和多维地震。上述结果表明,大跨度拱桥的结构响应多维地震激励下需要进一步研究。同时,当时间历史方法用于分析桥梁多维地震作用下的反应,地震输入的角度是不同的,和结构的响应也不同。只有当地震波输入一个特定的方向,某种类型的组件在某部分可以达到控制价值。确定最不利地震输入角一定结构响应控制价值,许多学者比较了在不同方向地震波输入结果。李等人。19王),et al。20.,刘等人。21]分析了斜拉桥的地震响应变化的主要地震输入方向。结果表明,地震运动方向有一个对动态特性和地震响应的影响。太阳et al。22)改变了角度的正交波合成记录地震波的主要方向,分析了框架结构。研究结果显示,动态响应大大地受到地震波输入角度的影响。Zhang et al。23)估计,使用振动响应数据的地震波入射角和叠加集成算法,分析了大坝的地震响应在不同输入角度。沈et al。24]OPENSEES用来分析高速铁路的脆弱性环形码头下多维地震,地震输入和结果表明,角的动态响应有显著影响固定码头沿着桥方向。上述研究表明,地震波输入的主要方向是不容忽视的。上述两种类型的研究对应的响应分析单个多维地震激励下拱肋或multiangle地震激发。的部分大跨度钢管混凝土桁架拱桥本身具有一定的空间特征,是更实际的结合多维和multiangle激发的地震响应研究上下和弦的抗震设计。

在这项研究中,一个400米甲板公路拱桥钢管混凝土在高地震在中国西北地区作为研究对象,和埃尔森特罗三维地震波,修改根据有效峰值加速度和网站类型的安全评估报告,作为历史激发函数。然后,下的轴向力和位移响应分析7种组合单维度和多维的激励X(纵向)+Y(横向)的正交组合激发0°∼90°转换角度进行。

2。项目概述

本研究的公路大桥采用双向的设计标准,4车道,和最大速度80公里/小时,主要桥作为一个400顶部加载钢管混凝土拱桥钢管混凝土)。桥面是由钢层瓦楞web-concrete桥面复合梁、主拱圈有four-limb钢管混凝土双拱形肋空间桁架结构宽度和可变高度相等。这是捏造的斜拉桥的悬臂装配过程扣+电缆悬挂。基本水平地面运动的加速度峰值为0.2 g,特征周期是0.45 s,网站类别类我和设防烈度八世。

拱轴采用悬链线拱轴系数1.55,净跨度l₀= 400,净凹陷的高度f₀= 80。和弦的中心的高度从7.5米的穹顶14 m脚下的拱门。每个桁架弦杆组的横向中心距是4米,横向中心之间的距离两组桁架是18米。关闭”X”形横关节组在垂直列,和他们有一个连续的安排。“N”型并联,和弦,倾向于web的铰链轴是由C60自密实钢管混凝土补偿收缩,剩下的是空钢管。拱肋是由Ф1300 mm焊接钢管滚,和web杆是由Ф914毫米和Ф711毫米完成无缝钢管。和弦从Q390D钢制造,其余由Q355D钢。的主要桥梁结构布局如图1。

3所示。动态分析模型和固有振动特性

3.1。有限元模型

MIDAS /民用分析软件是用于建立一个三维有限元模型桥的成员。桥采用的甲板板元素,和其他成员的空间梁元素。钢管混凝土拱肋的弹性模量和垂直柱截面计算的统一理论。拱脚和结码头的底部固定约束,列1∼2采用固定轴承,高阻尼橡胶轴承,另一列功能。全桥的有限元模型如图2。

3.2。解决多维地震动力学方程

桥多维地震作用下的动力学方程可以表示为 在哪里 代表的位移运动X,Y,和扭转方向相对于地面, 地面运动加速度是矢量, 是3 n维质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵的结构,分别为(15]: 在哪里 是一个广义坐标向量和 是模式矩阵。用方程(2)方程(1),我们可以获得

公式(3)收益率乘法 。使用正交条件,我们可以获得 缩写为 在哪里 代表的振型质量参与系数n模式的形状X和Y的方向。

当初始位移和结构的初始速度为零,杜哈梅积分用于解决方程(5),它的收益率

用方程(6)方程(2),可获得多维地震作用下的响应。

3.3。固有振动特性

固有振动特性包括必要的参数和重要指标深入分析和判断的结构动态响应和变化趋势25]。鉴于钢管混凝土结构的阻尼比为0.03,形状模式阻尼计算方法结合质量和刚度的因素被选中时,和多个里兹向量方法用于解决结构动态特性的负载条件下的三维初始地面加速度(26]。的密度模式形状,形状的变化模式,每个模式的参与系数形状每个自由度的方向。自然振动频率和模式主拱的形状描述如表所示1质量分布和质量参与系数图列出前十的模式3,模式的第一个模式呈现在图4。X,Y,和Z,分别代表了纵向、横向和垂直方向的桥,D沿着坐标轴代表了翻译,R代表了在坐标轴旋转。

从表可以看出1和数字3和4主拱肋的模式形状是平面外bending-torsional耦合振动。拱肋振动模式包括平面外横向弯曲和扭转振动纵轴(DY-RX),平面在纵轴扭转振动(RZ),平面垂直弯曲振动(DZ),沿桥,平面平移振动和垂直弯曲耦合振动(DX-RY)。振动多向和multiangle耦合;即出平面横向振动必须附有在纵轴扭转振动和扭转振动的水平轴必须附有平面纵向平移振动。

4所示。地震输入

拱门放在中等风化石英闪长岩,这是一个类我坚硬的土壤。根据现有的地震记录,记录的小城波相似的网站类型,特点,和光谱特征选择兴奋波。根据有效峰值加速度的50年2%超过数概率(E2级)地震安全评价报告中,振幅调制是纠正。修正后的值如表所示2,纠正埃尔森特罗三维地震波呈现在图5。

5。多维地震激励反应

采取纠正的3 d小城波的激发波记录,线性弹性直接集成的时程分析方法用于分析X,Y,Z,X+Y,X+Z,Y+Z,X+Y+Z总数。上的轴向力和位移响应和下弦杆控制部分的地震激励下的拱肋7维组合进行了分析和多维联合激励下的响应值和维的激发是标准化的。CQC组合用于多模形状,srs组合用于多维输入。响应值都值扣除后的恒载效应连续时间的历史分析,也就是说,只有在地震作用下的结构响应值。这座桥是一个桁架拱肋截面结构变量。单个和弦的弯矩的变化不能完全反映弯曲的变化响应主拱的整体部分。上弦杆的位移响应可以用来反映整个截面弯矩的变化。在地震的作用下,拱肋产生交变的紧张和压力。结构响应值可分为两个工作条件N麦克斯和N分钟讨论,有利于结构设计相应的包络值。

5.1。轴向力的响应

从图可以看出6和表3和4不同部分的轴向力激励下单一的方向是不同的,相同的部分在不同方向上的轴向力激发是不同的,和不同部分的轴向力的变化在不同方向激励是随机的。下轴向力的变化规律上弦杆的多维激励:的比率X+Y来X和Y1.3∼1.6(库3.8)和1.3∼2.0(1.0库),X+Z来X和Z 1.1∼1.6(库2.8)和1.1∼2.8(6.0拱脚),Y+Z来Y和Z1.1∼1.3和1.7∼2.1(4.7拱脚),X+Y+ ZX,Y,Z4.9 1.3∼1.7(库),1.3∼1.9,3.1和1.9∼6.9(库),然后呢X+Y+Z来X+Y,X+Z,Y+Z1.0∼1.3,1.1∼1.8和1.0∼1.5。轴向力的变化规律下弦杆:多维激励下的比率X+Y来X和Y1.2∼2.1(库3.8)和1.3∼1.9(1.0库),X+Z来X和Z1.3∼1.6(库3.8)和1.4∼3.0(6.0库),Y+Z来Y和Z1.1∼1.3和1.8∼2.7,X+Y+ ZX,Y,Z5.0 1.3∼2.2(库),1.4∼2.1,和1.9∼3.5,然后呢X+Y+ ZX+Y,X+Z,Y+Z1.0∼1.4,1.0∼1.4和1.1∼1.8。结构纵向对称,下的拱顶的轴向力X方向激发很小,多维激励下的轴向力比大(最大是5.0),但是X方向不是单一方向控制励磁;的轴向力比多维激励Z激励方向相对较大(最大是6.9),但轴向力的价值Z方向X和Y方向激励比较小,X和Y是主要的单一方向激励方向,然后呢Z激励方向具有明显的叠加。与激励维度的增加,各个部分的轴向力值和相对比例在增加,最大轴向力的比率X+Y来X和Y是2.1(3.8库)和2.0(1.0库)和X+Y+Z来X+Y,X+Z,Y+Z是1.4,1.8和1.8。因此,这种类型的轴向力响应下多维组合励磁的堆叠。

5.2。位移响应

从图可以看出7和表5多维激励的位移比X1.0∼1.2方向激励时,位移比Y方向激励基本上是1.0,和位移的比值X+Z激励,Z方向激励是3.7∼4.5(拱顶)除外。位移的比值Y+Z相对于激励组合Z方向激励1.7∼2.4,和位移的比值X+Y+Z激励相对于Z方向激励2.3∼6.3。它显示的位移X和Y方向下组合励磁是独立的,和位移Z方向是其耦合项,但位移X+Y+Z组合激发比仅为10%X+Z和Y+Z激励相结合。

6。Multiangle地震激励反应

强烈地震站通常时间收集的记录历史的三个正交方向电子战(X)、NS (Y)和UD (Z)。因此,一组强烈地震记录与正交水平方向可以转化成笛卡尔坐标从0°- 180°(图8)

从图可以看出9当电子战作为主轴方向转换,它到达峰值为0.404 g 60°、150°,当NS作为主轴方向转换,它到达峰值为0.404 g (30°、120°。横向加速度是0。同时,根据函数的变化曲线的坐标变换公式(7),可以看出,不同的两个正交方向的加速度值EW和NS在原始记录中,坐标变换后的最大价值的角度是不同的,但价值是一样的。因此,当结构相对简单的形状和模式有明显的正交性,地震波输入在一个方向上可以转换角度,和针对不同波可以找到最大加速度峰值对应的控制输入。然而,当结构相对复杂,形状有多向耦合模式,研究结果所示在前面的小节中,多维地震激励下的结构响应有显著增加的影响,和X+Y结合激励可以作为控制输入组合。因此,改变电子战的正交组合和NS输入角度应该使用在同一时间,这是有意义的学习multiangle输入的地震响应。针对对称结构的纵向桥梁方向,输入的角度X+Y正交组合可以转换同时从0°- 90°的进一步研究。

6.1。轴向力的响应

从数据可以看出10和11,从拱脚1 l / 8节中,轴向力先降低,然后随角度的变化,和附近的一个拐点出现20°。最大的拱脚和1 l / 8节比率是1.35和1.28,分别。下弦杆的轴向力的变化,拱脚轴向力比率在80°是最大的为1.32,和1 l / 8部分轴向力比是最大的1.51 90°。附近1 l / 4部分,总体趋势是下降,上下和弦的变化同步,最小轴向力比率是0.73/0.86,出现时间是55°、90°。在3 l / 8节附近,上弦杆杆的轴向力比呈下降趋势,70°附近的最小值为0.87,然后,改变往往是温和的;下弦杆的轴向力比先增加然后减少,但都是大于1,和50°附近的最大价值是1.21。拱顶附近的部分先增加然后减少。55°的上弦杆的最小值为0.63,而下弦杆轻轻变化10°- 75°,最小值为0.81。

总之,下X+Y结合地震激发的拱肋弦,0°、90°之间的角度变化,最大轴力出现在不同工作条件下,改变角度。的变化上、下弦杆轴向力和轴向力的比值有明显的空间性。

6.2。位移响应

从数据可以看出12- - - - - -14的位移变化X和Z拱肋轴的方向是镜像,但他们是相反的转换从0°- 90°沿拱肋轴。位移的变化Y方向角变换下是一致的;的位移X方向增加然后减少,变化沿拱肋高同步,这往往是温和的35°∼60°。最大的比率是1.19,最低比率是0.96 90°。的位移Y方向先增加然后减少,拱肋的变化是一致的。10°附近的最小比例是0.79,每一部分的变化趋势出现在55°。所不同的是,反过来,拱脚库增加和最大比率是1.59∼2.01 90°。的Z方向从拱脚位移相对一致的3 L / 8段,显示一个周期的增加/减少电弧段。然而,拱顶位移的变化有一个伟大的异步性,呈现出先降低,然后增加的趋势,和最小和最大比率是0.74和1.24在35°、90°,分别。

总之,下X+Y拱肋的综合地震激发共鸣的角度改变从0°∼90°的位移的变化趋势X和Y方向相对一致,和位移的变化Z方向有明显的异步性。位移比的范围Z方向是0.96∼1.19,0.79∼2.01,和0.74∼1.24,分别和最大比例的Y方向的穹窿部分几乎翻了一番。

7所示。结论

(1)大跨度的构成顶部加载拱桥扩张同时在纵向和垂直维度,并具有明显的空间耦合振动形式。主拱肋的模式形状平面外bending-torsional耦合振动、模式形状相对集中,和振型参与质量的多向和multiangle相关性。(2)在多维激励相结合,与激励维度的增加,和弦轴向力的价值和相对比例正在增加。最大轴向力的比率X+Y来X和Y是2.1的最大轴向力比X+Y+ ZX+Y,X+Z,Y+Z是1.4,1.8和1.8。轴向力的响应具有明显的三维叠加。(3)的位移X和Y方向下组合励磁是独立的,和位移Z方向是其耦合项,但下的位移X+Y+Z结合激励只有10%大于下X+Z和Y+Z激励相结合。(4)联合激励下的X+Y,角度改变从0°- 90°,上、下弦杆的变化轴力和轴向力的比值在不同位置沿纵向方向的拱肋和相同的部分有明显的空间特征,上弦杆轴向力的变化范围是0.63∼1.35,和下弦杆的轴向力的变化范围是0.81∼1.51。(5)联合激励下的X+Y角,改变从0°- 90°,位移的变化趋势X和Y方向相对一致,和位移的变化Z方向有明显的异步性。位移比的变化范围X,Y,Z方向0.96∼1.19,0.79∼2.01,和0.74∼1.24,分别Y拱顶截面的方向几乎增加了单一。

甲板的质量和刚度分布大跨度钢管混凝土拱桥空间;各个方向的振动是耦合的。在多维组合励磁和multiangle激励相结合,和弦的轴向力和位移响应有不同程度的增加。因此,这座桥的地震反应类型,X+Y+Z多维激励和X+Y转换角度结合激励应该解决了。

数据可用性

的数据支持本研究的发现可以从相应的作者在获得合理的请求。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。