人行桥动力特性及节段模型设计方案计算.docx
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人行桥动力特性及节段模型设计方案计算
1、节段模型设计参数初步估算
主梁自重：
2*<0.0283426*7.85+0.508297*2.5）=2.986T/m
横梁自重：
3.4*<0.0195508*7.85+0.185889*2.5）/5=0.420T/m
二期恒载<桥面玻璃板、护栏、玻璃夹具与托架、人行道抗滑橡胶层以及其它拼接附属件）集度：
0.713T/m
合计：
0.713+2.986+0.420=4.119T/m
假定悬索桥一阶竖等效模态质量与主梁物理质量一致，那么等效质量约为：
4.119T/m
以实桥节段长度L=30.8m、缩尺比为1/20制作刚性节段模型，那么模型的长宽比为30.8/6=5.13，其它模型参数的取值如表1所示：
表1节段模型设计参数估算值
参数名称
单位
实桥值
相似比
模型值
主梁长度
m
30
1:
20
1.54
主梁宽度
m
6
1:
20
0.3
主梁高度
m
0.60
1:
20
0.03
等效质量
kg/m
4119
1:
202
10.3
依此计算，缩尺节段模型的控制质量为1.54*10.3=15.9kg。
2.全桥结构动力特性分析
利用ANSYS建立峡谷人行桥成桥模型，其中：
主梁及桥梁均采用梁单元模拟，吊杆及主缆采用链杆单元模拟，桥面板及其它二期恒载仅计入结构自重且没有任何刚度贡献。
对上述有限元模型进行动力特性分析，表2及图1-图11分别列出了模型前10阶振型，表2则列出了与节段模型风洞实验相关的主要振型、频率及等效质量参数。
通过判断,第1阶模态变形以侧弯为主,故选取了具有同样对称性的第3、8阶自振频率作为竖弯、扭转频率。
表2人行桥前10阶振型
序号
频率（Hz>
振型描述
1
0.20267
主梁一阶对称侧弯、扭转耦合振型
2
0.210583
主梁一阶反对称竖弯
3
0.258624
主梁一阶对称竖弯
4
0.33809
主梁一阶对称竖弯及主缆横向对称摆动
5
0.38234
主梁一阶反对称侧弯
6
0.39951
主梁二阶反对称竖弯
7
0.51791
主梁一阶对称竖弯
8
0.627
主梁一阶反对称侧弯、扭转耦合振型
9
0.64048
主梁三阶对称竖弯及主缆横向对称摆动
10
0.66920
主梁、主缆一阶反对称主侧弯及主梁扭转
图1人行桥有限元模型
图2人行桥第1阶振型
图3人行桥第2阶振型
图4人行桥第3阶振型
图5人行桥第4阶振型
图6人行桥第5阶振型
图7人行桥第6阶振型
图8人行桥第7阶振型
图9人行桥第8阶振型
图10人行桥第9阶振型
图11人行桥第10阶振型
表3张家界大峡谷人行桥节段模型设计相关模态参数
序号
频率（Hz>
振型描述
等效质量（t/m>
等效质量惯性矩（t.m2/m>
1
0.20267
主梁一阶对称侧弯扭转耦合
-
1010.97
2
0.210583
主梁一阶反对称竖弯
4.22151
-
3
0.258624
主梁一阶对称竖弯
4.2883
-
8
0.627
主梁一阶反对称侧弯扭转耦合
-
144.71
3.颤振实验频率比确定
假定桥梁成桥状态的颤振检验风速为60m/s，结合桥梁颤振检验风速的估算值，取实桥颤振实验风速范围为0～108m/s，对应的模型实验风速区间初步确定为0～18m/s，初步确定相应的风速比为：
1/m＝Up/Um=1/6。
模型的缩尺比为1/n＝1/20，由弹性参数相似，得节段模型频率比为：
n/m=20/6=3.33。
4.涡振实验频率比确定
假设实桥涡激共振实验风速为0～45m/s，对应的模型实验风速区间初步确定为0～15m/s，即相应的风速比为Up/Um=1/3，考虑到弹性参数的相似，即节段模型频率比为：
n/m=20/3=6.67。
表4列出颤振、涡振模型设计参数。
表4张家界大峡谷人行桥节段模型设计参数
参数名称
符号
单位
实桥值
缩尺
模型值
颤振
涡振
颤振
涡振
主梁长度
L
m
30.8
1/20
1.54
主梁宽度
B
m
6
1/20
0.3
主梁高度
H
m
0.6
1/20
0.03
等效质量
meq
kg/m
4.22151×103
1/202
10.554
等效质量惯矩
Jmeq
Kgm2/m
1.4471×105
1/204
0.904
等效惯性半径
re
m
5.855
1/20
0.293
竖弯基频
fv
Hz
0.258624
3.33
6.67
0.862
1.724
扭转基频
ft
Hz
0.626816
3.33
6.67
2.09
4.18
扭弯频率比
ε
/
2.42
1
1
2.42
2.42
竖弯阻尼比
ξv
-
0.5
1
1
0.5
0.5
扭转阻尼比
ξt
-
0.5
1
1
0.5
0.5
依此计算，缩尺节段模型的控制质量为1.54*10.554=16.253kg。
故模型质量最好控制在10kg以内。
5.节段模型测振实验弹簧设计
针对不同的实验目的，分别设计颤振、涡激共振节段模型实验弹簧，设计结果见表5。
表5节段模型实验弹簧设计表
振型
模型频率模型质量<矩）系统弹簧刚度单根弹簧刚度颤振
一阶对称竖弯
0.862
16.253
476.77
59.6
一阶对称扭转
2.09
1.392
240.0
30
涡振
一阶对称竖弯
1.724
16.253
1907.08
238.39
一阶对称扭转
4.18
1.392
960.2
120.025
对于弹簧悬挂系统，弹簧上下设计成刚度为一致的，即单根弹簧刚度为
节段模型上部、下部弹簧之间距离为：
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