第32卷专辑2011年10月
固体力学学报
CHINESEJOURNALOFSOLID MECHANICS
Vol.32S.Issue
October2011
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波形钢腹板PC组合箱梁的动力特性研究
*
韦忠瑄1* 孙 鹰1 沈 庆2 万 水3 胡 洋3
1理工大学理学院数学与物理系,2理工大学工程兵工程学院野战工程系,()()江苏南京2江苏南京21110110007
3东南大学交通学院,)(江苏南京210096
摘 要 通过对3了解这种钢-混组合0m波形钢腹板PC组合箱梁的模态特性进行有限元分析和试验研究,结构的固有振动特性,为波形钢腹板P研究表明,波形钢腹板PC组合箱梁的动力响应分析与抗震设计提供依据.C组合箱梁的动力特性与一般的混凝土梁相比存在很大的差异,波形钢腹板PC组合箱梁结构的横向刚度和扭转刚度都比较小,在设计中必需予以重视.波形钢腹板PC组合箱梁的固有振动频率公式计算的基频结果与模态试验结果十分吻合,可用来计算波形钢腹板PC组合箱梁的基频.
关键词 P波形钢腹板,振动,固有频率C组合箱梁,
0 引言
波形钢腹板预应力混凝土(组合箱梁是用PC)波形钢腹板代替普通钢筋混凝土腹板的一种箱梁结比相同跨径的钢筋混凝土箱梁,梁体自重可减轻构,
约四分之一,符合现代桥梁向着“轻质、高强、大跨
]12-的发展趋势,具有广阔的应用前景[由于通常径”.
计依据.
1 波形钢腹板PC组合箱梁的试验
波形钢腹板PC组合箱梁试验梁的设计尺寸见图1所示.试验梁总长为3计算跨径2梁0m,8.5m,高1.顶板宽4.底板宽1.顶板为变截6m,0m,5m.边缘厚为0.边缘厚0.面,15m底板也为变截面,15如图2.m,
采用体内、体外预应力并用的方式,因此波形钢腹板PC组合箱梁的力学性能和一般的混凝土箱梁有所
]39-,它们的振动特性也存在差别.为了研究波不同[
形钢腹板P需C组合箱梁的动力响应和抗震性能,要了解它的振动频率和振型.本文运用有限元方法,给出了波形钢腹板P对3C组合箱梁的模态,0m长通过的波形钢腹板PC组合箱梁进行了动态试验,理论值和有限元模拟值的比较,验证了获对测试值、
得的波形钢腹板PC组合箱梁的振动特性的正确性,为同类型梁的动力响应分析与抗震设计提供设
()图1a 梁的横向剖面图
()irderFi.1arosssectionaldiaramof C- ggg
()图1b 梁的纵向剖面图
()Fi.1bonitudinalsectionaldiaramofirder L- gggg
)50078014.*国家自然科学基金资助项目(
:ailweizhonxuantom.com.**通讯作者. E-m@g
专辑 韦忠瑄等:C组合箱梁的动力特性研究 波形钢腹板P
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图2 30m波形钢腹板PC组合箱梁
Fi.2 30mPrestressedconcreteboxwithcorruatedsteelwebsirder - ggg
端横隔 横向设两个端横隔板和三个中横隔板,板距两端0.厚为0.中横隔板对称布置36m,18m,厚为0.图2为试验梁的整体间距7.5m,18m.视图.
2 波形钢腹板PC组合箱梁振动频率计算
波形钢腹板PC组合箱梁的振动频率计算公式为
2
EInπ()1ωn=
mlξ式中:E I为截面的抗弯刚度;l为跨径;n=1,2……;换算质量m为
其中
[()]4aeasinθ-2sincoscosθθ+θ[-μ=4l(3l3
2
2
2222
ecosasinasincos+-θ+θ+2θθ)λ]
32
4acosinυ=eθ+a-2sθ3l()4
22
4a()a-3ecosin5 θ+θ2s3le为预应力钢筋锚固点的偏心距,N0h为初始所施加p[()]槡()的预应力,a为转向块到预应力筋锚固点的距离,θ为预应力钢筋与梁中轴线的夹角.
)式(中参数λ为5
nm=
槡2
m20+∑mi1
(2tnLntππ1iiiossin-clnllπ
)()2
IEIlt()6λ=+
AEtAtlEAt为体外索的弹性模量,t为体外索的横截面面积,lt为体外索的长度.
波形钢腹板在纵向有自由伸缩的特征,对纵向力几乎不产生抵抗作用.因此在考虑断面系数和计算抗弯截面模量时,只考虑混凝土顶板和底板所构成的几何截面,忽略波形腹板的作用,截面惯矩I=
4
将转向块和锚固块模拟成集中质量,忽0.4461m.
略其刚度的影响,波形钢腹板的质量模拟成分布的
式中:m0为没有转向块和横隔板处的线密度;mi为
在(处有转向块时的线密度;ll′Li,i)i为第i处集中/质量的中心点位置,Ll′l2;ti=(i+i)i为第i处集中质量的厚度,见图3所示.tl′li=i-i,
线密度.在试验梁中的波形钢腹板如图4所示,它的腹板厚度为0.高度为1.长度为0.008m,164m,9波形钢腹板换算m波形钢板展开后的长度为1m,
/的线密度为0.008×1.164×2×10.9×7800=/161.4km.g
端横隔板厚度为1m,由于支撑中心距离边缘端横隔板计算厚度采用0.中横隔板0.75m,25m,
2,为0.横隔板截面面积为1.横隔板线18m,831m/箱梁截面面积密度为1.831×2600=4760.6km;g
图3 梁的线密度
irderFi.3 Lineardensitof ggy
)式(中系数ξ为1
lξ=1-nπ
槡()2
N024υhp+()2
EInπμ()3
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固体力学学报 2011年第32卷
截止频率设置为5根据采样定理,采样频率设0Hz.;每次F置为100HzFT的分析点数为N=1024点,并采用加大数据长度(校核谱图,证N=4096,8192)实N=1保证了024点的谱图没有漏掉重要的谱线,谱分析结果的可靠性;实际分析N=1024点谱分析依多次平均后求出谱分析结果.采用功率谱数据时,
密度确定自振频率及各点振幅值大小,分析时还必
图4 波形钢腹板横向剖面图
Fi.4 Crosssectionofcorruatedsteelweb- gg
2
,为1.线密度为1.0529m0529×2600=2737.5
阻尼比采用半功率带宽法确须结合考虑相干函数.
定.在梁上等间距布置1每次都进行测试7个测点,记录.试验梁的前四阶频率和阻尼比如表1所示.
/端横隔板距离为0.四分之km,125m,28.375m,g
一横隔板距离为6.中横隔板距离75m和21.75m,为1由试验梁的参数计算得其固有振动基4.25m.频为4.585Hz.
3 30m波形钢腹板PC组合箱梁模态试验
试验采用DH图5)进行5936动态测试分析仪(信号的采集及分析,信号的拾取采用DH107压电式),,图6通频带为0.电荷灵加速度传感器(2500Hz--2
/敏度为2波形钢腹板P80360pcms.C组合箱梁-表1 试验梁的前四阶振动频率和阻尼比
Table1 Freuenciesanddaminratioofthetestbeam qpg
)振动频率(Hz
第一阶第二阶第三阶第四阶
4.57 8.88 10.17 10.52
阻尼比0.06300.02150.01420.0137
自振特性的试验测试与分析中,采样采用如下参数设置:为有效地防止高频混叠现象,必须将采样前的因此,低通滤波器的信号在一定的频带范围内,
4 波形钢腹板PC组合箱梁动力特性有限元分析
波形钢腹板PC组合箱梁的钢腹板为折线形结构,为了减少单元和节点数,整个模型采用扫掠划分,的方式建立有限元模型(图7)然后再采用单元镜共计划分8象方式得到上部结构模型,780个单元,试验中由于只有下部预应力,预应力10811个节点.
模拟采用等效降温法.在主梁底面,按设计的支座位置和大小对其施加约束来模拟支座,约束一端支座的X、另外一个支座约束其X、Y、Z轴向位移,Y轴向位移.采用空间有限元计算得到的波形钢腹板PC)组合箱梁的模态数据列于表2中.利用公式(计算1
图5 DH5936动态测试分析仪Fi.5 DH5936dnamicanalzer gyy
得到的结果以及试验结果见表3所示.
图6 DH107压电式加速度传感器Fi.6 DH107piezoelectricaccelerometer g
图7 试验梁有限元模型Fi.7 FEM modaloftestbeam g
专辑 韦忠瑄等:C组合箱梁的动力特性研究 波形钢腹板P
表2 波形钢腹板PC组合箱梁计算模态Table2 Comutationalmodalsofthetestbeam p
阶数1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
)频率(Hz4.5747.35314.02914.89923.94230.92331.05832.81746.55048.942
振型特征竖向弯曲横向弯曲扭转竖向弯曲竖向弯曲竖向弯曲
横向弯曲拌随轻微扭转横向弯曲拌随轻微扭转
竖向弯曲横向弯曲拌随扭转
阶数11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
)频率(Hz53.67360.63667.38671.35776.17977.13081.53982.71286.44588.213
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振型特征横向弯曲拌随扭转
竖向弯曲扭转竖向弯曲竖向弯曲横向弯曲拌随扭转
顶板扭转顶板扭转横向弯曲拌随扭转
顶板扭转
)表3 试验梁的前4阶竖向弯曲频率(HzTable3 Theformerfourorderverticalbend
()irderofthetestHzfreuencies gq
振型阶数本文计算公式有限元计算模态试验
1 4.585
2 17.97
3 40.80
473.66
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参考文献
4.5744.8993.9420.923 1 2 34.57
/
/
/
5 结论
采用本文公式计算出的波形钢腹板P1.C组合箱梁基频与有限元分析结果相差很小,与试验测得表明本文的计算公式计算波的基频差别约3.65%.形钢腹板PC组合箱梁固有振动的基频具有较高的精度,可用于波形钢腹板PC组合箱的基频计算.
模态分析表明,波形钢腹板PC组合箱梁的2.
模态与混凝土箱梁的模态有很大的不同.在箱梁的表明波形钢腹板第2阶模态就出现横向弯曲模态,
这是与混凝土箱PC组合箱梁的横向刚度比较低,
在设计和抗震计算时应当注意.梁不同的地方,
在箱梁的第3阶模态就出现扭转模态,在箱3.
梁前1第7、0阶模态中,8、10阶模态为横向弯曲与表明波形钢腹板P扭转模态耦合的模态,C组合箱梁的扭转刚度也比较低,这也是与混凝土箱梁不同的地方.在设计时应适当增加横隔板,增加波形钢腹板的抗扭刚度.
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固体力学学报 2011年第32卷
(,,,36.LIHonYEJianshuWANShuietal.ian - - gjgExerimentalresearchonconcreteboxrestressed pp[]withcorruatedsteelwebsJ.ChinaJournalofirder gg
,:(HihwaandTransort2004,17(4)3136.inChi - -gyp ))nese
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11233
Zhonxuan WeiinSuninShenhuiWananHu Y Q S Ygggg
1 (,)DeartmentoMathematicsand Phsics,SciencesInstitute,PLA Univ.oSci.&Tech.Nanin211101 pf yf jg,2 (,DeartmentoField EnineerinEnineerinInstituteoEnineerinCros,PLA Univ.oSci.&Tech. pf gg,ggf gg pf
3 )()Nanin210007SchooloTransortation,SoutheastUniversitNanin210096 jg,f py,jg,
,irderAbstracthrouhadnamicaltestona30msanPCboxwithcorruatedsteelwebsthenat T -g -gypgirderuralvibrationsoftheboxwasknownandthetheorwasaliedtoassisttheanalsisandseismic -g yppy
,oftheirder.Theresultsshowthatthemodalroertiesoftheteofirderdifferfromthecom-desin gppypggmonlusedconcreteirder.ThetransverseandthetorsionstiffnessofPCboxirderwithcorruatedsteel -g ygg arelowerthanconcreteboxandwemusttakecareofitinourdesin.Thefundamentalfrewebsirder -g -g
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