鄭州北環快速路鐵路跨線大橋動力特性分析

許瑞峰

（鄭州市市政工程質量監督專業站，河南 鄭州450000）

1 橋梁有限元建模

建立正確的橋梁動力計算模型是進行橋梁結構動力分析的基礎，良好的橋梁動力計算模型應能正確模擬結構的剛度、質量和邊界條件，盡量與實際結構相符。為了能較為準確地反映北環快速路鐵路跨線大橋主橋的動力特性，本文采用MIDAS/Civil空間有限元程序建立該橋梁的動力計算模型：主梁采用空間彈性梁單元的單主梁模型來模擬，即把橋面系的剛度（拉伸剛度、豎向抗彎剛度、橫向抗彎剛度、自由扭轉剛度）和質量（平動質量和轉動質量）都集中在中間節點上，節點和鋼管之間采用剛臂連接或處理為主從關系。在動力計算中不考慮鋼管垂度對鋼管剛度的影響；橋塔、橋墩及橋墩間橫向聯系采用空間彈性梁單元來模擬，不考慮樁基礎對整個結構的影響。橋塔與主梁之間用剛性連接來模擬塔梁固結，中間橋塔處主梁與橋墩之間約束全部6個自由度來模擬梁墩固結，其他橋塔處主梁與橋墩之間釋放順橋向位移來模擬雙向活動支座。橋墩根部固結，邊跨不再設橋墩，釋放順橋向位移和繞橫橋向旋轉自由度來模擬橋梁支座。

表1 橋梁自振頻率和振型特征

2 計算結果及其分析

動力特性主要包括自振頻率及主振型等，其中低階振型對結構起控制作用。借助MIDAS/Civil有限元程序，采用子空間迭代法求解北環快速路鐵路跨線大橋主橋的動力特性，得出該橋梁前40階的自振頻率、周期和振型，由于振型比較集中，特別是橋塔振動比較集中，限于篇幅文中只給出前12階及典型振型的自振頻率和振型，計算結果列于表1，由計算結果可以看出北環快速路鐵路跨線大橋主橋振型主要特點：

2.1 該橋梁的基本周期為1.643s，第1階振型為橋面系的一階反對稱豎向振動振型，該振型對斜拉橋的地震響應和抗風穩定性有很大影響，也對車輛的振動反應有較大影響。豎向振動振型的出現順序取決于橋梁的寬跨比，寬跨比大的橋梁，其第1階豎向振動出現在前，寬跨比小的橋梁，它的第1階豎向振動出現在后。

2.2 該橋梁橋塔反對稱側向振動出現在第3～9階，橋塔的對稱側向振動出現在第10～16階。在斜拉橋結構體系中，對橋塔橫向地震反應貢獻最大的是以橋塔振動為主的振型（橋塔的對稱側向振動和反對稱側向振動），一般出現在第3階、第4階振型，北環快速路鐵路跨線大橋主橋符合這種規律，并且橋塔振動的自振頻率非常接近，振型較為集中。

2.3 斜拉橋橋面系第1階扭轉自振頻率也是被關注的頻率，它的大小與斜拉橋的顫振臨界風速有很大關系，因為扭轉振型在斜拉橋的顫振中占主要成分，臨界風速基本上與第1階扭轉頻率成線性關系，即第1階扭轉頻率越高，顫振臨界風速也越大。從抗風的角度考慮，希望橋面第1階扭轉頻率與橋面的第1階豎彎頻率的比值大一些，這樣斜拉橋的顫振臨界風速就會高些，橋梁的氣動穩定性也就越好。北環快速路鐵路跨線大橋主橋第1階扭轉頻率出現在第31階，頻率為2.4408Hz，它與橋面第1階豎彎頻率之比為4.01，表明該橋梁有良好的氣動穩定性。

2.4 人體對振動比較敏感的頻率范圍為2～6Hz，該橋梁的自振特性表明，其前15階自振頻率均不超過1Hz，不在該范圍內；另一方面，載貨汽車的基本頻率一般都在2.5～3.5Hz之間，而該橋梁的豎向第1階自振頻率僅為0.6086Hz，離該范圍比較遠，因此可以得出：該矮塔斜拉橋的基頻不在人體較敏感的范圍內，車輛荷載不會引起橋梁明顯的結構振動效應。

2.5 該橋梁前15階振型有兩階為橋面系豎向振動，其余均為橋塔的側彎振型，并且振型比較集中，頻率差別不大，表明該橋面內基頻小于面外基頻，符合鋼管混凝土土橋的特性。

3 結語

根據北環快速路鐵路跨線大橋主橋的結構特點，借助MIDAS/Civil有限元程序，采用子空間迭代法對該預應力混凝土多跨矮塔斜拉橋進行了空間動力特性計算。計算結果表明，該橋梁的低階振動主要表現為橋面系的整體豎向振動和橋塔的橫向振動，橋梁結構的自振周期較大，振型較為密集，橋面整體豎向振動出現比較早，橋梁有良好的氣動穩定性。計算結果可為該橋的設計、施工提供參考，也可為該橋梁在成橋運營過程中的健康監測和維護提供基礎性數據。

[1]黃坤耀.雙塔連體結構的靜力、抗震和抗風分析[D].浙江大學,2001年.

[2]熊峰.鋼管混凝土拱橋抗震性能研究[D].四川大學,2002年.

[3]胡安峰.樁基水平振動理論與性狀研究[D],浙江大學,2002年.

[4]張望喜.混凝土地基板靜、動力特性試驗與研究[D].湖南大學,2002年.

[5]宋雨.文暉大橋健康監測與評估管理系統主要問題研究[D].浙江大學,2003年.

[6]詹偉東.葵花型索穹頂結構的理論分析和試驗研究[D].浙江大學,2004年.