Динамические характеристики и антисейсмический анализ вантового арочного моста

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования

«Тульский государственный университет»

Контрольная работа заочника

По дисциплине «Английский язык»

Dynamic Performance and Anti-earthquake Analysis of Cable-stayed Arch Bridge

Уровень: бакалавриат

Направление: Строительство

Профиль: Промышленное и гражданское строительство

Тула

Аннотация

При проектировании вантовых арочных мостов с объединенными системами необходимо учитывать расчетные показатели прочности, жесткости и устойчивости, а также влияние землетрясений. Целью настоящего исследования является изучение динамических характеристик и конструктивных характеристик вантовых арочных мостов при сейсмическом воздействии. Модель пространственного анализа улучшена для моста через реку Сян Фэн с использованием конечно-элементного программного обеспечения Midas Civil, нижний фундамент которого учитывает влияние свай и грунта. Сначала вычисляются период вибрации, частота вибрации и модальные характеристики, таким образом, суммируются динамические характеристики моста, затем правильная сейсмическая волна выбирается в соответствии с инженерными условиями и в понятиях трех ортогональных направлений: ввод скорректированной сейсмической волны El Centro, учет затухания Рэлея и расчет по методу Ньюмарка. Кроме того, проводится анализ временн`ой диаграммы отклика под действием одномерного и многомерного землетрясения. Наконец, сравниваются результаты анализа отклика и обобщаются характеристики поведения арочного моста при сейсмическом воздействии. Результаты показывают, что проблема поперечной устойчивости мостов является показательной и должна быть в центре внимания в отношении противодействия землетрясению, наклонная тросовая башня этого моста не способствует сейсмостойкости конструкции по сравнению с вертикальной тросовой башней, а влияние горизонтальных и вертикальных сейсмических воздействий должно учитываться в отношении противодействия землетрясениям.

Ключевые слова: Вантовый арочный мост, динамические характеристики, анализ на сейсмоустойчивость, параметрический анализ, конечно-элементный анализ.

Abstract

Dynamic Performance and Anti-earthquake Analysis of Cable-stayed Arch Bridge

Shijie Wang1, 2, Quansheng Sun1, *, Hongshuai Gao1

The strength, stiffness, and stability check calculations and the effect of earthquakes should be considered in the design of cable-stayed arch bridges with collaborative systems. This study aims to investigate the dynamic performance and structural response of cable-stayed arch bridges under seismic action. The space analysis model is enhanced of the Xiang Feng River Bridge using finite element software Midas Civil, whose lower foundation considers the effects of piles and soil. Firstly the vibration period, vibration frequency, and modal characteristics are computed, thus the dynamic performance is summarized of the bridge. Then, a proper seismic wave is selected according to engineering conditions and in terms of three orthogonal directions: inputting the adjusted El Centro seismic wave, considering Rayleigh damping, and calculating via the Newmark method. Furthermore, a time-history response analysis under the action of one-dimensional and multidimensional earthquake is performed. Lastly, the results of the response analysis is compared and the behavior characteristics of arch bridge is summarized under seismic action. The results show that the transverse stability problem of bridges is prominent and should be the focus of anti-earth quake fortification, the inclined cable tower of this bridge is not conducive to the earthquake resistance of the structure in comparison with the vertical cable tower and the influence of horizontal and vertical earthquake actions should be considered in anti-earth quake designs.

Keywords: Cable-stayed Arch Bridge, Dynamic Performance, Anti-earth quake Analysis, Parametric Analysis, Finite Element Analysis

Введение

Шицзе Ван, Цюаньшэн Сун, Хуншуай Гао. Динамические характеристики и антисейсмический анализ вантового арочного моста

Основными несущими частями вантовых мостов являются канатные опоры, опоры мостов и балки жесткости [1]. В начале XX века вантовые мосты получили бурное развитие благодаря разработке, усовершенствованию и производству высокопрочной, высокоэластичной стальной проволоки и ее анкерных систем, а также усовершенствованию ортотропных стальных мостовых настилов [2]. В настоящее время вантовый мост с самым большим пролетом - это мост на острове Русский, построенный в 2012 году; как показано на рисунке 1, его центральный пролет составляет 1104 м, самый длинный трос -483 м, а консольная длина его главной балки - 852 М [3]. Однако с увеличением пролета вантовых мостов устойчивость консольного сечения балки жесткости перед его окончанием трудно гарантировать. По мере того как осевая сила в балке жесткости заметно увеличивается, пропорция ее собственного веса и высоты башни также увеличивается, а влияние провеса троса становится очевидным.

Как одна из основных форм мостов, арочные мосты имеют более чем 3000-летнюю историю [4]. Благодаря непрерывным инновациям в области строительных материалов арочных мостов, технологии строительства и теории проектирования, арочные мосты достигли крупных прорывов в своей пролетной и конструктивной форме, от каменных арочных мостов в Британской Колумбии до бетонных и простых стальных арочных мостов в 19 веке, а затем до ферменных и бетонных арочных мостов из стальных труб в 20 веке. В 2009 году в Китае для движения транспорта был открыт мост через реку Янцзы Чаотяньмэнь. Это арочный мост с самым большим главным пролетом в мире. В главной мостовой ферме применяется непрерывная стальная конструкция с крепежом по центру (190 + 552 + 190 м.) Основной пролет установлен со стяжной стойкой для удержания всей выдвижной консоли от свода до балке, и мост встроен в пролет. Готовый мост показан на рисунке 2 [5]. С увеличением пролета традиционный арочный мост увеличивался в своем собственном весе, что затрудняло установку троса. Заполненные бетоном арочные мосты из стальных труб подвержены таким проблемам, как коррозия и образование полостей в бетоне. Между тем, стальные арочные мосты характеризуются высокой стоимостью, высоким уровнем технического обслуживания и проблемами устойчивости.

Вантовые и арочные мосты - это длиннопролетные мосты, широко применяемые во всем мире, однако дальнейшее развитие пролетных строений мостов ограничено их соответствующими недостатками. Как показано в Таблице 1, многие объединенные системы вантовых или арочных мостов были предложены инженерным сообществом в связи с растущим спросом на эстетику мостов. Эти новые типы мостов могут максимизировать соответствующие преимущества вантовых и арочных мостов, дополняя сильные и слабые стороны друг друга. арочный мост сейсмический

(1) увеличивается пропускная способность конструкции и улучшается ее собственная жесткость. (2) Форма улучшается эстетически. (3) Повышается устойчивость конструкции моста. (4) Повышается безопасность моста на этапах строительства и эксплуатации. (5) Уменьшается высота башни моста. (6) Уменьшается напряженность удерживающего троса или тяги подвески. (7) Эффективность координации велика, и внутреннее распределение сил является равномерным для уменьшения локального напряжения. (8) Повышаются структурные показатели и экономические выгоды.

Хотя вантовые или арочные мосты появились рано, их развитие было медленным. Люди по-прежнему скептически относятся к мостам с объединенными системами из-за сложных механических характеристик их структуры, слабой теории проектирования, несовершенного управления строительством и некоторых аварий мостов на объединенных системах, которые были завершены и открыты для движения. Однако развитие мостов в смежных системах сотрудничества сыграло решающую роль в достижении прорывных результатов для мостов [6]. Вантовые арочные мосты - это новый тип моста с композитной системой, появившийся в начале нынешнего века. Теоретические исследования вантовых арочных мостов находятся еще в зачаточном состоянии. Паскаль Кляйн подробно представил структуру и процесс строительства малазийского моста Джамбатан Год Шавджала [7]. С мостом Лянчэн на фоне, Яном Сянчжань, Х. Дж. Кан, Ло Шидуном, Ту Янчжи, Цзян Хуа, Ван Мэйцзи и др. выполнен анализ и верификация сейсмических характеристик, анализ эксперимента по динамическим характеристикам, анализ локальных напряжений, анализ оптимизации усилия троса, анализ параметров и влияния температурного градиента на секцию коробчатой балки вантовых арочных мостов [8-13]. Сунь Цюаньшэн и др. проанализированы характеристики статических и конструктив-ных напряжения строящегося моста через реку Сянфэн в Даляне [14]. В этом исследовании были изучены динамические характеристики, структурная реакция при сейсмическом воздействии и сейсмические измерения моста через реку Сянфэн. Результаты данного исследования могут служить ориентиром для сейсмического проектирования подобных мостов и способствовать развитию вантовых арочных мостов. С развитием общества и экономики растущий спрос на эстетику мостов будет способствовать строительству сложносоставных мостов с красивыми и уникальными формами, хорошими структурными характеристиками и значительными экономическими выгодами.

1. Предыстория Проекта

Мост через реку Сянфэн, расположенный в деловом районе Волонг-Бей города Далянь, является мостом, который пересекает реку Сянфэн под дорогой Восточный Хуанхай и улучшает интенсивность дорожного движения и дизайн.

Этот мост, имеющий два пролета размером 40 м + 90 м=130 м, представляет собой вантовый безопорный мост и арочный мост специальной формы. Палуба моста представляет собой конструкцию переменной ширины с полной шириной палубы 39.0-43.0 м. Основная консоль представляет собой монолитную коробчатую балку ПК. Высота балки в среднем пролете составляет 2,7 м и изменяется на 3,8 м в пределах 21 м с левой и правой сторон верха пирса. Колонна башни представляет собой железобетонное сооружение с горизонтальным углом наклона 56°, а высота башни над палубой моста составляет 59,5 м. Низ башни укреплен главной балкой, арочной опорой и главным пирсом. Трос представляет собой фасонный трос, и это означает, что система тросов образована всей горячепрессованной стальной прядью в общей сложности из восемь тросов, которые расположены с интервалом в 8,5 м. Ребро арки представляет собой арку специальной формы со стальной коробчатой структурой и разделено на левую и правую части. Стальная коробка полая, а бетон заливается только у подножия арки. Отношение подъема к пролету оси арки составляет 1/3, в которой высота подъема составляет 28 м, а пролет-84 м, представляя собой квадратную параболу и прямую линию. Главный пирс - это контрфорс, который объединен с главной балкой, башней и аркой. Вспомогательный пирс представляет собой прямоугольный столбчатый пирс, а фундамент - свайный фундамент. Проектный эталонный период сооружения моста составляет 100 лет, а интенсивность сейсмического укрепления-VII.

2. Создание конечно-элементной модели

Структура принимает различные значения для различных напряженных состояний, которые могут быть решены с помощью метода пошагового интегрирования. Уравнение движения с помощью метода пошагового интегрирования решается следующим образом: Во-первых, в данном исследовании дискретизируется длительность сейсмического воздей-ствия, для анализа структуры моста используется программа конечно-элементного анализа Midas Civil 2015. Метод пространственного балочного ростверка используется для построения конечно-элементной аналитической модели полных мостов пропорционально фактическому положению каждого элемента. Единицы измерения делятся в соответствии с принципом удовлетворения точности и удобства расчета. В модели ферменный узел используется для стрелы и удерживающего троса, а модуль упругости ферменного узла модифицируется в соответствии с фактическими параметрами материала. Блоки консоли использованы для главной консоли, башни кабеля, нервюр свода и более низких компонентов. Жесткое соединение используется для соединения консоли и блока удержания троса с главной балкой, тросовой башней или блоком ребер арки. Ростверковая система главной балки состоит из различных типов продольных и поперечных балок. Главный пролет коробчатой балки разделен на три продольные балки в соответствии с поперечным сечением, а боковой пролет разделен на семь продольных балок. Предполагаемые продольные балки предусмотрены с обеих сторон палубы моста для удобства погрузки; балки устанавливаются в соответствии с фактическим положением балки и соединительного элемента, а для бокового пролета устанавливается определенное количество предполагаемых балок. Верхняя часть главного пирса соединена с главной балкой перекосами и нижней частью башни. Кроме того, упругое соединение между верхней частью вспомогательной опоры и поперечной балкой используется для моделирования опоры в соответствии с методом эквивалентной жесткости. В соответствии с инженерно-геологическими условиями производится расчет эквивалентной упругой жесткости грунта на различных глубинах, а упругая опора узлов устанавливается на каждом элементе узла основания компонентов для моделирования граничных условий.

В соответствии с приведенными выше принципами моделирования, полная конструкция моста разделена на 2619 единиц.

На основе базовой теории структурно-динамических характеристик проведен модальный анализ моста через реку Сянфэн с помощью конечно-элементного программного обеспечения. Первые 50 порядков собственной частоты, периода и формы колебаний вычисляются с использованием метода субпространственных итераций, описаны характеристики вибрационного режима, а также составлен график изменения периода естественной вибрации для освоения основных динамических характеристик моста через реку Сянфэн.

3. Анализ сейсмического отклика в реальном времени

3.1 Выбор и приложение сейсмических волн

В сейсмологии сейсмические волны считаются упругими волнами, то есть частицы вибрируют в виде волн при возникновении землетрясения и распространяются в разных направлениях вдоль эпицентра. Сейсмические волны в основном делятся на поверхностные и корпусные волны из-за различных сред распространения. Сейсмические волны могут отражаться на стыке различных слоев грунта в неоднородной среде для удовлетворения условий непрерывной деформации и баланса напряжений на границе раздела фаз. Сформированные в идеальной бесконечной однородной среде, сейсмические волны не отражаются; и, таким образом, образуются корпусные волны. В соответствии с вращением или искажением, поверхностные волны можно разделить на Р-волны (продольные волны) и S-волны (поперечные волны. [17, 18]

Почва участка моста - это почва участка II типа, то есть средняя и мягкая почва участка. Спектральный диапазон характеристик входной сейсмической волны определяется в соответствии с периодом характеристики участка, а в качестве входной сейсмической волны для структурного анализа временн`ой характеристики выбирается волна El Centro. После этого максимальное значение спектра отклика ускорения Smax проектируется в соответствии с уровнями действия землетрясения E2 для определения пикового горизонтального ускорения (PGA).

В соответствии с ПГА рассчитывается коэффициент корректировки пикового значения входной сейсмической волны. От пяти до 10 раз выбирается период основного строения, так как длительность сейсмической волны в расчетах составляет 20 с.

3.2 Хронологический отклик в условиях одномерного землетрясения

Жесткость мостовой конструкции изменяется во всех направлениях, а отклики при действии одно - и многонаправленных землетрясений различны. Во-первых, анализируется отклик временн`ой характеристики в каждой контрольной точке структуры под действием одномерного землетрясения. При сравнении спектрального анализа отклика для анализа временн`ой характеристики выбираются шесть контрольных точек отклика сдвига. Пункты выглядят следующим образом: главная вершина башни (P1), вершина свода (P2), главная вершина пирса (P3), 2# средний пролет (P4), 2# конец балки пролета (P5) и 2# вершина пирса (P6). Результаты расчетов приведены на рис. 7-9.

Отдельно рассматриваются три ортогональных направления на входе одномерной сейсмической волны, которая делится на три рабочих режима, а именно:

Рабочее состояние 1: приложение в поперечном направлении,

Рабочее состояние 2: приложение в направлении вдоль моста,

Рабочее состояние 3: приложение в вертикальном направлении. Анализ приведенных выше цифр показывает следующее:

При рабочем условии 1 величина отклика на сдвиг в продольных и вертикальных конструкциях невелика, когда в конструкции возникают отклики на смещение в поперечном направлении.

В рабочих условиях 2 и 3 деформация конструкции приводит к вертикальному (или вдоль моста) смещению, когда конструкция смещается вдоль моста (или вертикально), поэтому происходит реакция смещения конструкции вдоль направления моста и вертикального направления, а реакция смещения конструкции в поперечном направлении незначительна.

При сочетании условий (1) и (2) реакция смещения конструкции в основном происходит при сейсмическом воздействии в поперечном направлении, и структурная деформация невелика. Структурная деформация возникает в дополнение к реакции смещения и структурной деформации при сейсмическом воздействии в направлении вдоль моста и вертикальном направлении. Учитывая концепцию пластичной конструкции и принцип диссипации энергии, сейсмостойкость поперечного моста является слабой.

3.3 Временн`ая характеристика откликов в многомерных условиях землетрясения

Результаты хронологического отклика конструкции в условиях многомерного землетрясения в каждой контрольной точке приведены на рис. 10-11. Горизонтальный сейсмический вход и аналогичный из трех ортогональных направлений одновременно рассматриваются в многомерном сейсмическом волновом входе, который делится на два рабочих состояния, а именно: рабочее состояние 4: вход в поперечном направлении + направление вдоль моста и рабочее состояние 5: вход в поперечном направлении + направление вдоль моста + вертикальное направление. Анализ приведенных выше цифр показывает следующее:

Сравнительный анализ условий эксплуатации 4 и 5 показывает, что временн`ые характеристики сейсмического отклика в одной и той же контрольной точке при двух условиях эксплуатации в основном одинаковы по форме и тренду во всех направлениях, за исключением небольших различий в амплитуде. Колебания происходят как в поперечном направлении, так и вдоль моста в каждой контрольной точке.

При одновременном вводе сейсмических волн в трех направлениях (рабочее условие 5) наблюдаются колебания в поперечном направлении и вдоль моста. По сравнению с результатами реакции смещения рабочего состояния 4, результаты работы рабочего состояния 5 показывают, что максимальная амплитуда вертикальных колебаний в верхней части главной башни (Р1) и в середине пролета 2# пролета (Р4) составляет 12,32 и 3,22 с, а максимальная амплитуда колебаний составляет всего 0,96% и 3,16% соответственно. Кроме того, вертикальные флуктуации структуры в основном вызваны структурной деформацией, тогда как вертикальное сейсмическое воздействие оказывает минимальное влияние на структуру под действием многомерных землетрясений.

В обычных условиях тросовая башня обычных вантовых мостов устанавливается вертикально и имеет относительно большую вертикальную жесткость. Вертикальный сейсмический отклик в верхней части башни аналогичен тому, что происходит в нижней части башни. Тросовая башня моста установлена наклонно, что снижает ее вертикальную жесткость. Вертикальная временн`ая амплитуда отклика в верхней части главной башни (Р1) значительно больше, чем в верхней части главного пирса (Р3) такое состояние является неблагоприятным для сейсмического анализа моста.

3.4 Сравнительный анализ хронологической реакции на одномерные и многомерные землетрясения

Сравниваются и анализируются ответные внутренние силы основных напряженных положений башни моста, ребра арки и главной балки при пяти условиях сейсмической нагрузки. Максимальное значение внутренней силы приведено в таблице 5.

Ниже приведена сводная таблица максимальных значений внутренней силы в ключевых положениях мостовой конструкции при различных условиях сейсмического нагружения. Анализ показывает следующее:

1) Сравнение максимальных значений внутренней силы, рассчитанных в каждом компоненте при пяти рабочих условиях, показывает, что эти значения в основном находятся в рамках одной и той же величины. Этот результат свидетельствует о том, что при проведении сейсмического анализа вантовых арочных мостов, влиянию одномерных и многомерных землетрясений на мостовую конструкцию следует уделять одинаковую степень внимания. Сравнение значений внутренних сил каждой группы при горизонтальном, вертикальном и трехнаправленном воздействии землетрясений показывает, что разница значений внутренних сил в одной и той же группе относительно невелика. Этот результат иллюстрирует, что последствия горизонтальных и вертикальных землетрясений следует учитывать при проектировании крупнопролетных мостов, особенно тех, которые имеют сложные структурные системы.

2) Значения осевой силы и силы сдвига в нижней части тросовой башни являются самыми большими при рабочих условиях 3, но уменьшаются при рабочих условиях 5. Этот результат обусловлен тем, что инерционная сила, создаваемая массой пролетного строения при вертикальной нагрузке, очевидна, поскольку тросовая башня представляет собой вертикальную столбчатую конструкцию. Однако при трехмерной сейсмической нагрузке изгибающий момент, создаваемый горизонтальным направлением, представляет собой эксцентрическое давление, создаваемое башней, которое компенсирует часть осевой силы при вертикальном воздействии. Кроме того, эффект вертикального сейсмического воздействия нельзя игнорировать при проектировании вантовых арочных мостов, и следует учитывать эффект постоянной нагрузки.

При пяти условиях сейсмического нагружения максимальные и минимальные значения каждой внутренней силы ребра свода появляются в положении опоры свода, что согласуется с общим законом сейсмической реакции арочного моста из стальных труб. При сейсмической нагрузке поперечного моста максимальное значение изгибающего момента возникает у основания арки упора 2#, поскольку внеплоскостная жесткость моста относительно мала, а деформация ребра арки в поперечном направлении велика только при поперечных землетрясениях. Внимание должно быть сосредоточено на усилении антисейсмических мероприятий свода стопы на таком участке.

При использовании в расчетах модели демпфирования структуры (по Рэлею), амплитуда хронологической кривой в каждой контрольной точке под действием одномерных и многомерных землетрясений уменьшается в разной степени. Например, явное ослабление амплитуды можно обнаружить в P1 и P4 в трех направлениях и в P2 в горизонтальном направлении. Чем заметнее затухание, тем более чувствительна реакция контрольной точки на землетрясение.

Сравнительный анализ осевой силы поперечной ветровой стяжки ребра арки показывает, что при сейсмической нагрузке различных условий работы в ветровой стяжке возникают напряжение и давление, а максимальное значение давления нельзя игнорировать в сравнении с максимальным значением напряжения. Кроме того, налицо деформация ветровой стяжки. Учитывая принцип рассеивания энергии пластмассовых шарниров, ветровая стяжка имеет важное значение для поддержания устойчивости ребер арок при землетрясениях и обеспечения незначительного повреждения ребер арок.

Вывод

1. Структура невелика, спектр рассеян, частоты низкого порядка плотны, а изменения равномерны. Общее распределение массы в пространстве конструкции аналогично распределению массы вантового моста без опор, что указывает на то, что динамические характеристики моста аналогичны динамическим характеристикам вантового моста без опор. Сейсмический анализ моста фокусируется на анализе кабельной башни, главного пролета, главной балки и ребер арки. Отношение внутриплоскостной основной частоты к внеплоскостной основной частоте составляет 1,8124/0,5038, что указывает на то, что внутриплоскостная жесткость значительно больше внеплоскостной. Этот результат иллюстрирует важность проблемы поперечной устойчивости мостов, и она должна быть в центре внимания сейсмостойкого укрепления.

2. Анализ отклика во временн`ой характеристике показывает, что величина отклика структурного смещения при поперечном действии на мост является наибольшей при землетрясении в одном направлении. По сравнению с горизонтальными и трехнаправленными действиями землетрясения, колебания происходят в поперечном направлении и вдоль моста в каждой контрольной точке. Анализ контрольной точки в верхней части тросовой башни показывает, что наклонная тросовая башня этого моста не способствует сейсмостойкости конструкции по сравнению с вертикальной тросовой башней. Результаты анализа отклика внутренних начальных напряжений конструкции показывают, что конструктивная система моста сложна, а влияние горизонтальных и вертикальных сейсмических воздействий следует учитывать в сейсмостойких конструкциях.

Размещено на Allbest.ru