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浙江大学学报(工学版)  2024, Vol. 58 Issue (10): 2149-2161    DOI: 10.3785/j.issn.1008-973X.2024.10.019
土木工程、交通工程     
大流量斜拉压力输水管桥振动台模型试验研究
周敉1(),冯昭2,张鹏利3,秦伟1
1. 长安大学 旧桥检测与加固技术交通运输行业重点实验室,陕西 西安 710064
2. 中交公路长大桥建设国家工程研究中心有限公司,北京 100160
3. 陕西省引汉济渭工程建设有限公司,陕西 西安 710032
Shaking table model test of cable-stayed bridge with large flow water pressure pipeline
Mi ZHOU1(),Zhao FENG2,Pengli ZHANG3,Wei QIN1
1. Key Laboratory of Transport Industry of Bridge Detection Reinforcement Technology, Chang’an University, Xi’an 710064, China
2. CCCC Highway Bridge National Engineering Research Centre, Limited Company, Beijing 100160, China
3. Hanjiang-to-Weihe River Valley Water Diversion Project Construction Limited Company, Xi’an 710032, China
 全文: PDF(3851 KB)   HTML
摘要:

为了研究斜拉输水管桥的抗震性能,以某大跨径多塔斜拉输水管桥为对象,根据相似理论设计缩尺比为1∶20的等代试验模型,开展振动台试验研究. 从不同地震波、不同台面输入地面峰值加速度以及空满管工况等多个角度探究斜拉输水管桥地震响应与抗震性能. 采用试验与数值模拟相结合的方法,系统分析大跨径斜拉输水管桥的抗震性能. 结果表明,E1地震下结构保持弹性;E2地震下部分钢筋进入屈服,混凝土出现裂缝但结构整体安全. 纵桥向地震输入时,考虑流固耦合效应的满管工况相较于空管工况的地震响应增幅小于仅采用附加质量模拟水体时的响应增幅;横桥向地震输入时的结果相反.

关键词: 斜拉管桥振动台试验抗震性能缩尺模型有限元分析    
Abstract:

To study the seismic performance of a large-span, multi-tower cable-stayed water pipeline bridge, an equivalent test model with a scale ratio of 1∶20 was designed based on similarity theory for a shaking table test. The seismic response and seismic performance of the cable-stayed water pipeline bridge were analyzed from various perspectives, including different seismic waves, peak ground acceleration inputs on the platform, and conditions with both empty and full pipes. A combined approach of experimental and numerical simulations was used to comprehensively analyze the seismic performance of the large-span cable-stayed water pipeline bridge. Results show that under the E1 seismic scenario, the structure remains elastic. Under the E2 seismic scenario, some reinforcements yield, and concrete exhibits cracks, but the overall structure remains safe. The increase in seismic response for the full pipe case considering the fluid-structure coupling effect compared to the empty pipe case is smaller than the increase in response when only the water body is modeled with the added mass for the longitudinal bridge seismic input, and the opposite result is obtained for the transverse bridge seismic input.

Key words: cable-stayed pipeline bridge    shaking table test    seismic performance    scale model    finite element analysis
收稿日期: 2023-08-01 出版日期: 2024-09-27
CLC:  TU 448  
基金资助: 陕西省自然科学基础研究计划项目-联合基金资助项目(2021JLM-47);国家自然科学基金资助项目(51978062);陕西省重点研发计划(2024SF-YBXM-644);长安大学中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(300102212209).
作者简介: 周敉(1977—),男,教授,从事桥梁工程的抗震研究. orcid.org/0000-0002-2254-2711. E-mail:zhoumi@chd.edu.cn
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周敉
冯昭
张鹏利
秦伟

引用本文:

周敉,冯昭,张鹏利,秦伟. 大流量斜拉压力输水管桥振动台模型试验研究[J]. 浙江大学学报(工学版), 2024, 58(10): 2149-2161.

Mi ZHOU,Zhao FENG,Pengli ZHANG,Wei QIN. Shaking table model test of cable-stayed bridge with large flow water pressure pipeline. Journal of ZheJiang University (Engineering Science), 2024, 58(10): 2149-2161.

链接本文:

https://www.zjujournals.com/eng/CN/10.3785/j.issn.1008-973X.2024.10.019        https://www.zjujournals.com/eng/CN/Y2024/V58/I10/2149

图 1  大流量斜拉管桥桥型布置及主梁断面
图 2  输水管及镇墩、支承环、支座断面图
图 3  正、反对称边界示意图
图 4  原型与等代模型在E2地震输入下的弯矩响应
参数数值
长度相似系数${C_{{l}}}$0.05
加速度相似系数${C_{{a}}}$1.5
弹性模量相似系数${C_{{E}}}$0.5
质量相似系数$ {C_{{m}}} = {C_{{E}}}C_{{l}}^2/{C_{{a}}} $0.0008333
时间相似系数$ {C_{{t}}} = {({C_{{l}}}/{C_{{a}}})^{1/2}} $0.182574
应力相似系数$ {C_\sigma } = {C_{{E}}} $0.5
应变相似系数$ {C_{{\varepsilon }}} = {C_\sigma }C_{{E}}^{ - 1} $1
密度相似系数$ {C_\rho } = {C_{{E}}}{({C_{{l}}}{C_{{a}}})^{ - 1}} $6.66667
面积相似系数$ {C_{{s}}} = C_{{l}}^2 $0.0025
体积相似系数$ {C_{{V}}} = C_{{l}}^3 $0.000125
抗弯刚度相似系数$ {C_{{{EI}}}} = {C_{{E}}}C_{{l}}^4 $0.00000313
频率相似系数$ {C_{{f}}} = {({C_{{a}}}/{C_{{l}}})^{1/2}} $5.477226
位移相似系数$ {C_\delta } = {C_{{l}}} $0.05
速度相似系数$ {C_{{v}}} = {({C_{{a}}}{C_{{l}}})^{1/2}} $0.273861
力相似系数$ {C_F} = {C_{{E}}}C_{{l}}^2 $0.00125
弯矩相似系数$ {C_M} = {C_{{E}}}C_{{l}}^3 $0.000062 5
表 1  试验模型参数的相似系数
图 5  模型试验现场照片
图 6  振动台试验模型布置
名称位置编号位置编号
钢应变片主塔塔底-西北S-01下塔中-西南S-16
主塔塔底-西南S-02下塔中-东北S-17
主塔塔底-东北S-03下塔中-东南S-18
主塔塔底-东南S-04过渡墩顶-北S-19
主塔横梁底-北S-05过渡墩顶-南S-20
主塔横梁底-南S-06西梁底跨中-北S-21
塔顶分叉处-北S-09西梁底跨中-南S-22
塔顶分叉处-南S-10梁顶跨中-北S-23
过渡墩墩底-北S-11梁顶跨中-南S-24
过渡墩墩底-南S-12东梁底跨中-北S-25
东梁底跨中-南S-26
砼应变片塔底正面-北C-01塔横梁底-南C-06
塔底正面-南C-02过渡墩底正-南C-07
塔底侧面-北C-03过渡墩底正-北C-08
塔底侧面-南C-04过渡墩底侧-南C-09
塔横梁底-北C-05过渡墩底侧-北C-10
表 2  应变片布置及编号
名称位置编号位置编号
加速度传感器西侧梁跨中XJ-11过渡墩盖梁顶XJ-9
西侧梁跨中YJ-12过渡墩盖梁侧YJ-10
西侧梁跨中ZJ-13过渡墩承台顶XJ-8
东侧梁跨中XJ-14主塔承台XJ-1
东侧梁跨中YJ-15主塔承台YJ-2
东侧梁跨中ZJ-16主塔横梁XJ-4
塔顶XJ-7主塔横梁侧面YJ-5
主梁跨中XJ-6振动台面XJ-17
主塔基座XJ-3振动台面YJ-18
振动台面ZJ-19
位移传感器西侧梁跨中YW-11过渡墩盖梁顶XW-8
西侧梁跨中ZW-12过渡墩盖梁侧YW-10
东侧梁跨中YW-13主塔承台XW-1
东侧梁跨中ZW-14主塔承台YW-2
塔顶YW-6主塔横梁XW-3
塔顶XW-5主塔横梁侧面YW-7
主梁跨中XW-4振动台面XW-15
过渡墩顶主梁XW-9振动台面YW-16
振动台面ZW-17
表 3  传感器布置及编号
图 7  过渡墩应变片布置及编号
图 8  主塔应变片布置及编号
图 9  主塔加速度和位移传感器布置及编号
图 10  过渡墩加速度和位移传感器布置及编号
图 11  输入地震波加速度时程曲线
工况激振方向管道情况原型峰值加速度
1~11纵+竖/横+竖空管0.1g
12~21纵+竖/横+竖空管0.15g
22~31纵+竖/横+竖空管0.23g(E1)
32~41纵+竖/横+竖满管0.1g
42~51纵+竖/横+竖满管0.15g
52~61纵+竖/横+竖满管0.23g(E1)
62~71纵+竖/横+竖满管0.4g(E2)
72~81纵+竖/横+竖满管0.5g
82~88纵+竖/横+竖满管0.567g
表 4  试验加载工况表
图 12  试验模型裂缝发展图
图 13  白噪声激励下主梁加速度测点传递函数幅频图
图 14  主塔和过渡墩自振频率变化图
图 15  不同组件顶部测点的纵向位移时程曲线(PGA=0.345g)
图 16  不同测点最大位移随台面输入地面峰值加速度的变化
图 17  主塔塔顶的位移时程曲线
图 18  主塔不同测点最大应变响应随台面输入地面峰值加速度的变化
图 19  振动台试验模型的有限元模型
图 20  约束混凝土及非约束混凝土的应力-应变曲线
图 21  关键测点最大位移响应模拟值与试验值对比
图 22  塔底侧面混凝土应变时程曲线(PGA=0.6g)
图 23  空、满管工况关键测点位移响应对比
图 24  试验与原全桥模型关键测点位移响应对比
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