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吊杆损伤对外倾单肋式曲线钢拱桥自振特性的影响

更新时间:2016-07-05

0 引言

外倾单肋式拱桥是指拱肋向外倾斜,通过拱肋外倾来平衡桥面部分荷载的异形拱桥[1],其外形美观新颖,能够给人带来一种奇特的不平衡感,因此迅速成为景观桥梁界的宠儿。与传统样式的拱桥相比,该桥的力学行为与传力途径有所不同,而吊杆作为传力途径中最重要也最易受损的构件,其健康状况是整座桥梁能否安全运营的基础[2-4],因此对吊杆损伤后桥梁动力特性的研究至关重要。

目前,国内很多学者针对不同拱或斜拉桥的吊杆损伤进行了一系列的研究,例如:葛素娟等[5]研究发现了下承式拱桥的稳定性受吊杆损伤的影响;孙全胜等[6]分析了无背索斜拉桥自振特性受拉索损伤的影响;陈淮及陈景星等人[7-8]研究分析了钢管混凝土拱桥的动力特性受吊杆损伤的影响。以上学者的研究大多是针对传统线形的拱桥或斜拉桥,而对于结构体系较纤柔的外倾单肋式曲线钢拱桥吊杆损伤的研究尚未见报道。

本文以某外倾单肋下承式人行曲线钢拱桥为背景,探讨了吊杆损伤对此类异形钢拱桥动力特性的影响,该结果对同类型桥梁具有一定的借鉴意义。

1 工程概况

1.1 桥梁概况

该桥为跨径12.5 m+105 m+12.5 m的三跨外倾单肋式异形下承式人行钢拱桥,中跨和两边跨主梁以跨中为对称中心位于平曲线上,桥梁布置如图1、图2所示。拱肋向外倾斜15°,拱轴线在拱肋倾斜面内为二次抛物线,矢高为26.25 m,矢跨比为1∶4。拱肋截面为矩形变截面,其拱脚特征断面尺寸如图3所示。为增加拱肋刚度,在拱肋拱脚截面以上6 m范围内灌入标号为C40的微膨胀混凝土。吊杆采用强度为1 860 MPa、规格为5φs15.2的钢绞线,其间距为4.5 m,全桥共19根吊杆。主梁截面为宽5 m的非对称单箱双室钢箱,其标准截面如图4所示。两端支撑在桥台上,距梁端12.5 m处通过钢横梁与拱肋连接,如图5所示。

图1 桥梁立面图(单位:mm)

图2 桥梁横断面图(单位:mm)

图3 拱脚特征断面(单位:mm)

图4 主梁断面图(单位:mm)

1.2 结构分析计算模型

有限元软件Midas/Civil所建立的三维模型见图5所示,全桥共划分364个节点,383个单元,拱肋、主梁及横梁均采用梁单元模拟,吊杆采用桁架单元模拟。梁端采用一般支承,仅设置竖向约束,拱脚完全固结。本次模型分析选用对于求解结构低阶数特征值效率较高的子空间迭代法,特征值控制参数分别为:迭代次数100,子空间大小1,收敛误差1e-10

近十年来,京东物流的异军突起影响了中国物流市场的格局,身为京东物流CEO的王振辉表示,这些年,京东物流在国内取得了很好的发展,“我们采取的是全网覆盖的模式,其中供应链最基础的仓网的模式,这在中国,甚至在全球都是非常领先的。十年前我们就建立了京东的第一个仓库,通过不断把货物放在离客户更近的地方,2010年就达到了“当日达”的时效,让非常多的商品快速地送达到用户的手里。”

图5 桥梁有限元模型

2 吊杆损伤程度的确定

实际工程中吊杆损伤的本质是吊杆张力的下降或丧失,目前主要采用面积折减、弹模折减、反向荷载和实体单元等方法对吊杆损伤进行模拟[9],其中弹模折减模拟吊杆损伤程度的方法简便易懂,是较为常用的一种方法。

由于全部吊杆或部分吊杆同时发生损伤的概率较低,单根吊杆出现损伤的概率最大,因此本文采用降低单一吊杆弹性模量的方法对其损伤程度进行模拟分析,得出吊杆损伤程度对该异形钢拱桥动力特性的影响。由于桥梁属于对称结构,故文中只计算了以下41种吊杆损伤工况下的桥梁自振特性。

工况1—10:DS10—DS1号吊杆损伤25%;

工况11—20:DS10—DS1号吊杆损伤50%;

(1)观赏型飘窗:此类飘窗的设计特点概括为全部窗台与地面接触(全落地),在进行室内设计时可将飘窗改成卧榻的形式。

工况21—30:DS10—DS1号吊杆损伤75%;

工况31—40:DS10—DS1号吊杆完全断裂;

工况41:所有吊杆完好。

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结构动力特性中的自振频率和振型是对结构进行动力分析的重要参数。对于所研究的多次超静定、动力自由度较多的异形桥梁来说,求解其全部自振频率较为困难,故文中仅给出其起控制作用的前若干阶频率及其对应的振型。

3 桥梁自振特性分析

模拟所得的结构1阶自振频率为1.36 Hz,但该频率值小于《城市人行天桥与地道技术规范》(CJJ 69—95)[10]中人行桥结构竖向自振频率3 Hz规定,降低了桥上行人的舒适感,因此,对此类柔性桥梁的动力特性更应重视。

图6 模型前5阶振型

表1 前10阶振型

模态号频率/Hz振型特征11.36拱肋对称向外侧弯,桥面系对称上挠22.02拱肋反对称侧弯,桥面系反对称竖弯32.99拱肋对称向内侧弯,桥面系对称竖弯43.38拱肋面内变形,桥面系对称竖弯53.79拱肋反对称侧弯,桥面系反对称竖弯64.93拱肋反对称侧弯,桥面系反对称竖弯75.03拱肋反对称侧弯,桥面系反对称竖弯86.03拱顶面内下挠,桥面系对称竖弯96.13拱肋反对称侧弯,桥面系反对称竖弯106.92拱肋对称竖弯,桥面系对称竖弯

由图6和表1可看出,该异形钢拱桥的前10阶振型主要有拱肋的外倾和面内变形,桥面系的对称或反对称竖弯。

对桥梁初始状态(即工况41所有吊杆完好)进行模态分析,求解其自振特征,所得结果的前5阶振型图如图6所示。前10阶自振频率及振型特征如表1所示。

(1)传统死亡观的束缚。中国人一定程度上对于死亡有恐惧心理,排斥并害怕提及“死亡”、“临终”等词语,教育中也很少涉及这类沉重的话题。与发达的大城市相比,中小城市人们观念更加传统陈旧,对于死亡的恐惧心理尤甚。且传统死亡观念影响下的人们常会因一味追求自然生命的延长而忽视生命的质量和尊严。

4 自振特性计算结果及分析

为了准确比较吊杆损伤对异形拱桥动力特性的影响,从不同吊杆相同的损伤程度和同一吊杆不同的损伤程度两种情况进行分析,对比吊杆损伤对异形拱桥自振特性的影响。

4.1 不同吊杆相同损伤程度

文中仅计算了编号为DS2、DS4、DS6、DS8和DS10的5个吊杆在弹模分别损伤25%、50%、75%及100%(即断裂)程度后的桥梁自振频率,图7—10分别给出了5根吊杆同一损伤程度下的桥梁自振频率变幅情况,其自振频率变幅=(吊杆损伤后频率-完好状态自振频率)/完好状态自振频率。

就公众而言,若要在社会管理中与政府实现稳定的合作,除了应具备平等的地位,相当的素质和参与能力之外,还必须具有能为公共的、长远的利益而牺牲自身眼前利益的理性的妥协精神。近年来,我国公民主要通过听证会、论证会、座谈会等途径参与政府决策与公共治理领域。在这些参与途径中,参与各方应按政府和法律规定的程序,尊重彼此的利益诉求,心存积跬步以致千里的气度,消除短视与歧视的狭隘心理,寻求利益的共同域,从而在协同治理的广场中建立起和谐、理性、包容的关系,减少社会不稳定因素。

[1] 王玮瑶,李生智,陈科昌.异型系杆拱桥[J].中国公路学报,1996,9(1):45-50.

图7 吊杆损伤25%

图8 吊杆损伤50%

图9 吊杆损伤75%

图10 吊杆断裂

5)不同吊杆发生相同程度损伤时,自振频率的降幅呈锯齿形变化规律。

2)吊杆损伤,结构的自振频率均降低,且损伤程度越高自振频率的降幅越大。

对比DS2、DS4、DS6、DS8和DS10吊杆相同损伤程度引起的频率变幅可知,相同的吊杆损伤程度下靠近跨中的吊杆对结构自振频率影响较大。

4.2 同一吊杆不同损伤程度

为研究同一吊杆不同的损伤程度对桥梁自振频率的影响,同样取25%、50%、75%和100%(断裂)4种损伤程度对桥梁自振特性进行分析。图11—15给出了编号为DS1、DS3、DS5、DS7和DS9的5根吊杆在不同损伤程度后桥梁自振频率变幅图。

图11 DS1损伤

图12 DS3损伤

图13 DS5损伤

图14 DS7损伤

图15 DS9损伤

由图11和图12频率变幅规律可知,DS1和DS3吊杆损伤对拱桥的自振频率影响主要集中在低阶频率。吊杆损伤对结构第3阶自振频率的影响最大,在4种损伤情况下,DS1的第3阶频率变幅分别为0.76%、1.56%、2.42%、3.26%,DS3的第3阶频率变幅分别为0.65%、1.33%、2.06%、2.79%;损伤对其他阶次自振频率的的影响较小,甚至为0。

由图13—15可知,DS5、DS7和DS9吊杆损伤对结构不同阶次的自振频率均有一定程度的影响。其中DS5吊杆不同程度损伤对第3阶自振频率的影响最大,为0.39%、0.82%、1.27%和1.74%;DS7和DS9号吊杆不同程度损伤对结构第4阶自振频率的影响程度最大,分别为0.31%、0.63%、0.96%、1.28%和0.36%、0.75%、1.14%、1.54%。

由DS1、DS3、DS5、DS7和DS9吊杆频率变幅可知,同一吊杆随着吊杆损伤程度的增加,其结构的自振频率降幅增大。

5 结论

1)吊杆是拱桥中重要的传力构件,作为传力途径中最重要也最易受损的构件,其健康状况是整座桥梁能否安全运营的基础。

1.诊断[15]:结核病可发生在任何CD4+T淋巴细胞计数水平的艾滋病患者。艾滋病合并结核病的诊断需要结合临床表现、辅助检查、病理学检查以及影像学检查结果来进行综合判断,尤其要注意发生于HIV感染者的结核病在临床表现以及诊断方面有其自身特点,不能将一般结核病的诊断方法简单地套用于艾滋病合并结核病的诊断中,在进行诊断时应注意患者的免疫功能状态,CD4+T淋巴细胞计数较高患者的表现与普通结核病患者类似,而CD4+T淋巴细胞计数低的患者常表现为肺外结核病。抗酸染色涂片和培养仍是确诊结核病的主要方法。

致谢 本文研究工作受南京航空航天大学研究生创新基地(实验室)开放基金(kfjj20170122)资助.

3)DS1和DS2吊杆断裂时引起的自振频率降幅较大,分别为3.26%和3.13%,但其对高阶频率的影响很小,甚至为0。

2.4.2 旷场实验 连续注射CORT 21 d后,小鼠禁食不禁水24 h,将动物放入箱内底面中心,试验箱规格为50 cm×50 cm×40 cm。适应30 s后,观察并记录动物在3 min内双后肢跨越方格的个数(水平运动)与前肢腾空或攀爬墙壁的次数(垂直运动)。试验在无明显光源的环境中进行,观察完毕擦拭箱内壁及底面,以免上次动物余留的信息影响下次测试结果。

4)吊杆损伤对该桥高阶自振频率影响较小,对低阶尤其是第3阶自振频率影响较大。

吊杆损伤程度由25%到吊杆断裂(损伤100%)时,DS2号吊杆损伤引起的结构第3阶自振频率降幅最大,分别为0.73%、1.5%、2.3%和3.13%;DS4号吊杆损伤引起的结构自振频率降幅最大值也出现在第3阶,分别为0.53%、1.1%、1.7%和2.3%;DS8号吊杆损伤引起的结构第4阶自振频率降幅最大,分别为0.39%、0.80%、1.22%和1.64%;DS10号吊杆损伤引起第7阶自振频率降幅最大,为0.24%、0.49%、0.75%和1.0%。DS6号吊杆损伤程度为25%和50%时,自振频率降幅最大出现在第9阶,为0.44%和0.75%;损伤程度为75%和100%时,自振频率降幅最大出现在第8阶,为1.0%和1.5%。

[参考文献]

由图7—10可以看出,不论哪根吊杆出现损伤都会导致桥梁自振频率下降,对比其曲线变化可知,吊杆损伤程度越大,结构的自振频率降低幅度越大,吊杆损伤情况下,结构的自振频率随振型阶数的增加呈锯齿形规律变化。

冰雪产业的发展已经不是黑龙江省“一枝独秀”了,但是在抓住机遇的同时,也面临着强劲的压力,所以黑龙江省应充分发挥政府职能,从宏观的角度进行科学统筹,合理规划产业布局,政府的规制对冰雪产业来说不仅是对它的约束,更是对冰雪产业的扶持和引导,从明确职能定位、强化市场监管、培育高素质人才、鼓励社会组织发展、加快基础设施建设等方面采取措施,促进经济发展等策略来提升黑龙江省冰雪产业的竞争力。加快黑龙江省冰雪产业的聚集,能够提高黑龙江省冰雪产业的核心竞争力。

[2] 夏欢,金晓勤,晏班夫.拱桥在役损伤吊杆破断安全性研究[J].中外公路,2017,37(1):89-93.

(1)教师可在课前向平台上传课件供学生下载,以便学生充分地进行课前预习及课后回顾。教师还可以上传与课程相关的教学资源供学生学习,如课外资料、Word文档、视频等(见图1),学生可利用课余时间学习这些资源。Bb平台的学习资源都是教师准备的优质资源,避免学生花费时间在网上查找资源。

[3] 吴文清,余江昱.系杆拱桥吊杆的破损安全设计方法研究[J].桥梁建设,2016,46(1):35-39.

[4] 何伟,何容,陈淮.运用中、下承式拱桥吊杆张力变化进行吊杆损伤识别研究[J].振动与冲击,2012,31(5):153-157.

[5] 葛素娟,陈淮.考虑吊杆损伤的拱桥稳定性分析[J].世界桥梁,2006(3):38-41.

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[8] 陈景星,冯忠居,胡锋.吊杆损伤对钢管混凝土拱桥动力特性的影响[J].公路交通科技,2013,30(3):100-104.

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[9] 葛俊颖,苏木标.斜拉桥拉索损失模拟方法及其对索力和挠度分布规律的影响[J].中国铁道科学,2016,37(3):30-37.

[10] 中华人民共和国交通部.城市人行天桥与人行地道技术规范:CJJ 69—95[S].北京:人民交通出版社,1995.

金其莉,陈建兵,尉洪利,汪一意
《常州工学院学报》2018年第1期文献

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