多跨连续梁桥动力特性分析范文

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《山东交通科技》2014年第二期

1模态分析及改善方法

1.1模态分析通过Sap2000有限元软件的有限元分析方法将整体结构进行离散后，利用单元的质量矩阵、刚度矩阵以及阻尼矩阵构建出整体结构的总体质量矩阵［M］、总体刚度矩阵［K］以及总体阻尼矩阵［C］，可以得到完整结构的动力平衡方程:式(5)称为整体结构体系的频率方程。把一个具有N个自由度体系的行列式展开，能够得出关于一个频率参数ω2的N次代数方程，算出这个N次代数方程的所有根(ω1、ω2……ωn)，那么则说明该桥梁整体结构可能存在的N个振型的频率。把由频率方程求出的N个频率按从小到大的顺序排列则构成体系的频谱，频谱中最小的频率称为整体结构体系的基频，而与基频相对应的振型即为机构体系的第一振型，以此类推，第二低的频率所对应的振型即为第二振型，等等。由于稳定的结构体系所有的质量矩阵和刚度矩阵均为实对称正定矩阵，所以，由频率方程计算所得的所有根均为正的实根。

在本试验模型中，各坐标定义:X方向为纵桥向，Y方向为横桥向，Z方向为竖桥向。表1显示了模态分析结果。图2为各阶模态规律分析。图3显示了结构的前8阶模态。由图2和图3可知，对于桥墩较高的等跨连续梁桥，其1阶模态为整体横弯，本计算中，其一阶模态的横桥向累计质量参与系数达到0.729，频率为1.503Hz，对于多跨高墩连续梁，其一阶模态表现为横桥向振动。2阶模态和3阶模态表现为桥墩局部纵向振动，该模态的结构整体纵桥向累计质量参与系数很小。在工程计算中，该模态无实际意义。4阶模态为主梁竖弯，频率为3.119Hz，但其竖向累计质量参与系数较小。该结构体系的前5阶模态主要表现为横向与纵向的振动，竖向振动为辅。第5阶模态为桥墩局部纵弯，频率为3.577Hz。第6阶为主梁反对称横向弯曲。第7阶至第12阶模态均以主梁竖向弯曲为主，该方向上的累计质量参与系数逐渐增大到0.9以上。

综合表1可知，对于多跨连续梁桥，其质量累计参与系数并不是由基频或前几阶频率控制，因此，当采用反应谱法对多跨连续梁进行计算时，需采用较多的模态进行计算。根据我国《公路桥涵设计通用规范》相关条文，结构的基频较小，其在地震中所受到的影响较大。因此，对该型桥梁进行合理的抗震设计非常必要。

1.2改善措施根据分析可知多跨连续梁桥1阶模态为横向弯曲，横桥向的刚度的均匀性是对该桥型的抗震能力有较大的影响。研究表明在连续梁桥的横桥向，影响桥墩顶位移及桥墩底应力大小的最主要因素为转动位移，也是影响抗震能力的关键因素。因此，在对连续梁桥抗震设计时或者旧桥修复时，应尽可能使整体结构的刚度分布比较均匀，使全桥的位移峰值降至最小，同时也可以使全桥的受力状态得到改善。另外，上部结构会对起到放大地震力的作用，而这种作用跟地基土的种类密切相关。修筑在软弱地基上桥梁，大部分的地震能量集中在长周期范围内，而刚性的短周期结构能够较好地避免大强度的反应，因此需要采取转移分联方式并增大关键点横桥向刚度的办法，使得整体刚度得到均匀分布，以达到改善结构体系的受力状态的目的。如果桥墩在坚硬土层或者岩石地基上，那么地震能量集中在短周期范围内，而柔性长周期体系在连续梁桥抗震设计中是最好的选择，可以在某些桥墩上设置纵向竖缝，这样可以通过减小某些桥墩横向刚度的方法来改善整个结构体系的受力状态。在本连续梁桥中可以采用分联方式或者增强横向联系刚度的方法来改善整体结构体系的受力状态，提高抗震能力。

2结语

(1)多跨等截面连续梁的1阶模态为横弯曲，其整体横向刚度较小。(2)高桥墩连续梁桥在模态分析中桥墩可能出现局部振动，而该模态对于结构的动力分析意义不大。因此，模态分析中应有效地识别出该模态，在进一步的计算中考虑该模态对结构的影响。(3)结构的前几阶模态在既定方向上的累计质量参与系数较小，因此，当采用反应谱分析时，应采用较多的模态进行综合计算。(4)多跨连续梁桥的基频较大，其在地震作用下可能会受到较大的动力作用，因此，对改型桥梁进行合理的抗震设计是十分必要的。(5)横桥向的刚度均匀性对连续梁桥的抗震能力有较大影响，可通过采用分联方式或者增强横向联系刚度的方法来提高抗震能力。综上所述，多跨连续梁1阶模态为横向弯曲，因此，在抗震设计中应首先满足结构的横桥向抗震性能;在采用反应谱分析多跨连续梁结构时，应采用较多的模态进行计算。

作者：靳秀红单位：山西省交通科学研究院