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结构参数对上承式大跨度钢管混凝土拱桥自振特性的影响

更新时间:2009-03-28

1937年,前苏联建成了世界上第一座混凝土拱桥。此后一段时间内,世界上没有其他同类的桥梁[1-2]。我国1990年在四川建成了第一座混凝土拱桥旺苍东河大桥(跨径115m),随后我国的混凝土拱桥有了迅速的发展,如跨度430m的湖北支井河大桥,跨度500m的四川合江长江大桥[3]。与传统的桥梁相比,上承式钢管混凝土拱桥以其自身特有的特点在我国得到了迅速发展[4]

1939年1月,国民党五届五中全会通过了《限制异党活动办法》,对共产党、民主团体、爱国民主人士和人民群众的言论行动实行严格的控制,实际上剥夺了人民群众抗战以来争得的某些民主权利。在9月9日举行的国民参政会第四次大会上,共产党和各抗日党派的参政员提出《请政府明令定期召集国民大会实行宪政案》。经过大家的努力,这个提案被通过。11月,国民党五届六中全会宣布于1940年11月12日召集国民大会。国民党曾借此大做文章,声称要实施宪政,还组织人讨论研究1936年5月5日颁布的《中华民国宪法草案》(即“五五宪草”)。但后来这些许诺都成了泡影。

我们在面对田野资料时,必须考虑这些资料的生产过程。在田野中,无论是各类民间文献还是口述资料,它都有一个生产的过程。在西方人类学领域,production是个非常重要的分析概念。我认为,实践民俗学也特别需要引入这个概念。田野资料的生产过程至少包含着两个层面的内涵:一是作为地方知识的田野资料有一个数十年、数百年的历史生产和积累过程;二是被访谈人或受访者的讲述本身又是对这些地方性知识给予再生产的过程。

在早期,英、俄等国家的学者经过研究,建立了拱的振动微分方程,并且对简单支承情况下拱的自由振动问题进行了探讨。此后国外学者 Kolousek[5],K.H.Chu[6],[7],Mistuhiro Yoshimuraa[8]等对铁路和公路拱桥的振动问题进行研究,我国学者范立础[9]、杨永清[10]、陈宝春[11]等针对钢管混凝土拱桥的动力性能开展的研究,并取得了一些研究成果。但这些研究对于促进钢管混凝土拱桥的发展仍显得不足,文中以西溪河大桥为背景,开展了结构参数对上承式大跨度钢管混凝土拱桥自振特性的影响研究,其成果对于促进钢管混凝土拱桥的发展具有十分重要的意义。

1 工程概况

成贵铁路西溪河大桥,全长为493.600m。大桥铁轨面到河面高差为255.7m,跨孔样式为3×32.7m连续梁+240m上承式钢管混凝土拱桥+4×32.7m连续梁。桥墩采用矩形空心墩,最大墩高为55m,矢跨比为1/4.3。该桥的主桥布置如图1(a)所示。交界墩、柱身、斜撑、拱肋横断面如图1(b)~图1(d)所示。

  

图1 西溪河大桥图

2 计算模型

(1)不同支撑类型在前三阶自振中,频率接近,相差在2.5%之内。

 

表1 大桥所用材料特性

  

桥梁构件 材料性能指标弹性模量/MPa 泊松比 热膨胀系数/(℃-1) 容重/(kN·m-3)拱肋钢管 Q345qE 2.06e+005 0.3 1.2e-005 78.5主梁 C50纤维混凝土 3.55e+004 0.2 1.0e-005 25.0横撑 Q345qE 2.06e+005 0.3 1.2e-005 78.5钢管内混凝土 C50微膨胀混凝土 3.55e+004 0.2 1.0e-005 24.5桥墩、墩台 C50纤维混凝土 3.55e+004 0.2 1.0e-005 25.0立柱 C45混凝土 3.45e+004 0.3 1.0e-005 25.0

  

图2 西溪河大桥计算模型

  

图3 前四阶振型图

 

表2 结构前十阶自振特性

  

模态 频率/Hz 振型特征1 0.764 9 对称侧弯2 0.779 0 反对称侧弯3 0.809 2 扭转4 1.008 4 正对称竖弯5 1.028 7 扭转+反对称侧弯6 1.479 0 扭转+正对称侧弯7 1.656 1 反对称竖弯8 1.671 1 扭转+正对称侧弯2.308 0 扭转+反对称侧弯10 2.397 8 正对称侧弯9

在上承式拱桥中,拱肋是主要的承重构件,因此为了分析拱肋矢跨比对自振特性的影响,在上述模型的基础上,除了矢跨比以外其他参数均保持不变。矢跨比根据工程常用范围确定。原模型矢跨比约1/4.3,记为方案一。为方便研究,方案二矢跨比为1/3.5,方案三矢跨比为1/4.8,方案四矢跨比为1/5.3。依次分别计算十阶振型频率,结果见表4及图6。

3 振型分析

对西溪河大桥进行模态分析,分析前十阶振型,具有代表性的四阶振型如图3所示,振型特性见表2。

选取2014年6月~2016年6月我院收治的60例急性胃穿孔患者,所有患者均确诊为急性胃穿孔,其中男34例,女26例,患者年龄22~79岁,平均年龄(38.5±12.3)岁,患者发病后就诊时间为1h~4d,平均为(12.1±4.3)h,随机将患者分为观察组和对照组,每组30例,两组患者具有可比性。

为了研究拱肋刚度对桥梁自振特性的影响,在钢管混凝土拱肋截面面积不变的情况下,通过截面含钢率(钢管面积/钢管混凝土拱肋面积)来改变钢管混凝土拱肋的刚度,研究拱肋刚度变化对结构自振特性的影响规律,计算结果见表5。

4 自振特性影响因素分析

根据拱桥理论,影响拱桥自振特性的因素很多,比如拱肋矢跨比、横撑刚度、横撑布置、桥面宽度等,因此,选取本桥作为研究对象,分别研究不同因素对自振特性的影响,并得出相应变化规律。

4.1 拱上立柱横撑对自振特性的影响

钢管混凝土拱桥立柱横撑有不同形式,综合来说常见的有以下3种形式,见图4。文中在立柱位置和横撑截面尺寸不变的情况下,通过分别变换横撑类型,分析不同横撑类型对自振特性的影响,结果见表3,变化曲线见图5。

  

图4 立柱横撑类型图

 

表3 横撑类型对自振特性的影响

  

振型 不同类型横撑的自振频率/Hz“一”型撑 “K”型撑 “工”型撑一阶 0.723 4 0.764 9 0.733 8二阶 0.757 8 0.779 0 0.760 2三阶 0.778 4 0.809 2 0.780 4四阶 0.853 6 1.008 4 0.923 8五阶 0.900 2 1.028 7 0.933 5六阶 1.256 8 1.479 0 1.327 8七阶 1.490 2 1.656 1 1.523 8八阶 1.532 5 1.671 1 1.625 6九阶 2.157 5 2.308 0 2.245 3十阶 2.206 5 2.397 8 2.325 6

(3)“K”字型支撑拱肋扭转基频为 0.8092Hz,大于“一”字撑与“工”字撑,这说明“K”字型横撑可以提高桥梁的抗扭强度。

采用MIDASCIVIL软件建立西溪河大桥的有限元模型,对其动力特性进行计算,其中桥面箱梁采用板单元模拟,交界墩、柱身、斜撑、拱肋均采用梁单元模拟,建模时采用的材料特性见表1。其中拱脚固结,不考虑结构-地基相互作用[10],计算模型如图2所示,其中X轴为顺桥向,Y轴为横桥向,Z轴为竖向。

表4和图6可以看出:

从表3及图5可以看出:

  

图5 拱上立柱不同横撑对自振特性影响

4.2 拱肋矢跨比对自振特性影响

从表3可看出,西溪河大桥前十阶振动主要以横向振动为主,表明该桥的横向刚度远小于纵向刚度。

 

表4 拱肋矢跨比对自振特性的影响

  

一阶 0.764 9 0.750 3 0.821 7 0.936 7二阶 0.779 0 0.768 9 0.845 6 1.235 6三阶 0.809 2 0.776 7 0.923 2 1.333 2四阶 1.008 4 0.893 2 1.187 6 1.289 3五阶 1.028 7 0.897 7 1.324 6 1.468 5六阶 1.479 0 1.245 7 1.678 6 1.802 1七阶 1.656 1 1.478 7 1.823 5 1.934 2八阶 1.671 1 1.502 6 1.923 5 2.231 7九阶 2.308 0 2.107 8 2.886 3 3.156 2十阶 2.397 8 2.178 9 3.302 6 3.548 6

  

图6 拱肋不同矢跨比对自振特性影响

(2)在四阶振型到十阶振型中,“一”字撑与“工”字撑自振频率变化显著,且均小于“K”字型支撑。这说明采用“K”字型横撑结构稳定性最高,有利于控制拱肋横向变形。

(1)矢跨比对西溪河大桥自振频率的影响较小,随着桥梁矢跨比增加,其自振频率降低,桥梁自振周期变长。

(2)在条件允许的情况下,通过适当降低矢跨比可以增强结构横向稳定性。

4.3 拱肋刚度对自振特性的影响

但是,单纯的看相关系数我们无法断言这些变量之间有显著的相关关系,还需要进行一定的检验。用皮尔逊检验,检验结果如下:

4)用电运行成本是否交优:例如工业锅炉需要高温以利用,通过比较发现利用电能的成本和用煤炭的成本相比还是较高。但是通过相关技术突破、能源枯竭以及电力市场发展,用电代替煤炭会有经济优势。

 

表5 拱肋刚度变化对自振特性的影响

  

振型 不同含钢率的拱肋自振频率/Hz-20% -15% -10% -5% 0 5% 10% 15% 20%一阶 0.728 8 0.732 3 0.745 9 0.760 1 0.764 9 0.772 8 0.780 8 0.783 9 0.820 3二阶 0.742 9 0.751 1 0.763 2 0.770 2 0.779 0 0.780 6 0.784 5 0.812 5 0.822 7三阶 0.776 5 0.782 9 0.790 2 0.798 6 0.809 2 0.817 6 0.820 3 0.828 9 0.845 6四阶 0.900 2 0.913 3 0.923 5 0.976 4 1.008 4 1.117 6 1.124 6 1.287 9 1.304 7五阶 0.981 2 0.993 7 0.996 7 1.002 1 1.028 7 1.119 8 1.276 5 1.302 1 1.334 5六阶 1.187 5 1.267 8 1.386 5 1.423 7 1.479 0 1.498 9 1.532 4 1.600 6 1.678 9七阶 1.512 9 1.534 0 1.598 9 1.600 7 1.656 1 1.667 8 1.702 2 1.783 4 1.802 3八阶 1.582 3 1.602 8 1.613 4 1.623 1 1.671 1 1.700 1 1.789 2 1.822 3 1.847 7九阶 1.986 4 2.008 7 2.100 2 2.112 9 2.308 0 2.321 8 2.332 8 2.345 6 2.403 2十阶 2.089 8 2.095 6 2.115 6 2.298 7 2.397 8 2.428 7 2.432 6 2.500 3 2.578 6

经分析可以发现:

(1)拱肋含钢率变化对自振特性呈现着规律性特征,当含钢率增加时,桥梁的自振频率变大。

(2)随着拱肋刚度的提高,结构各阶自振频率都略有增加,呈现出线性增长趋势,但增加幅度不大,这说明,通过增加拱肋含钢率来提高整体刚度并不可取。

5 结论

文中对上承式钢管混凝土拱桥——西溪河特大桥进行了地震反应分析,经过计算,得出如下结论:

11月16日,IFA秘书长夏洛特·黑贝布莱德(Charlotte Hebebrand)一行到访中农控股。中农集团党委书记、董事长兼中农控股董事长苏泽文会见来访客人,双方就下一步深入合作达成共识。

(1)前十阶振动以侧向振动为主,表明桥纵向刚度大于横向刚度。拱肋结构的横向刚度小于竖向刚度,面外稳定性问题要多加考虑。

(2)立柱采用“K”字型横撑结构时桥梁稳定性最高,有利于控制拱肋横向变形,并且“K”字型支撑可以提高抗扭强度。

在教学过程中注重节奏创作,提高音乐创作能力也很重要。在音乐教学中,节奏创作是一个十分重要的环节,这不仅能够锻炼幼儿的创作能力,也能够让幼儿感受到创作的成就感,让幼儿喜欢音乐,喜欢声势教学这种教学方法。节奏创作是令幼儿能够清楚理解音乐的一个重要环节。在幼儿进行创作时,教师要鼓励幼儿,帮助幼儿提高音乐的创作能力。

(3)通过改变矢跨比对振型频率有影响。随着矢跨比增加,自振频率降低,桥梁自振周期变长,但通过提高拱肋含钢率来提高结构刚度并不经济可取。

(4)当含钢率增加时,桥梁的自振频率变大。这说明,适当提高拱肋含钢率可以提高拱桥结构稳定性。

参考文献

[1] 汪进,段荣华.钢管混凝土拱桥在我国的应用与发展[J].公路与运输,2012,5(2):73-77.

[2] 王玉银,惠中华.钢管混凝土拱桥施工全过程与关键技术[M].北京:机械工业出版社,2010,5(5):54-57.

[3] 王克辉.新建铁路兰州至合作线祁家渡黄河大桥主桥抗震计算分析[J].铁道建筑,2015,11(2):52-56.

[4] Bauchau O A,Hong CH.Nonlinear composite beam theory[J].Journal of Applied Mechanics,1988,55(1):156-163.

[5] 项海帆,刘光栋.拱结构的稳定与振动[M].人民交通出版社,1991.

[6] Chu K H,Garg V K,Dhar CL.Railway-bridge impact:Simplified train and bridge model[J].Journal of the Structural Division,1979,105(9):1823-1844.

[7] Chu K H,Garg V K,Wang T L.Impact in Railway Prestressed Concrete Bridges[J].Journal of Structural Engineering,1986,112(112):1036-1051.

[8] Yoshimura M,Wu Q,Takahashi K,et al.Vibration analysis of the Second Saikai Bridge-a concrete filled tubular(CFT)arch bridge[J].ournal of Sound & Vibration,2006,290(1):388-409.

[9] 范立础.桥梁抗震[M].同济大学出版社,1997.

[10] 杨永清.钢管混凝土拱桥横向稳定性研究[D].成都:西南交通大学,1998.

[11] 陈宝春.钢管混凝土拱桥[M].北京:人民交通出版社,2007.

 
李自林,孟亚
《河北水利电力学院学报》2018年第01期文献

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