大跨徑系桿拱橋動力特性參數分析

范琴鋒

大跨徑系桿拱橋動力特性參數分析

范琴鋒

以格丑溝特大橋主橋為背景,通過變化拱肋內傾角和吊桿布置形式,應用有限元分析程序 MIDAS進行了動力特性計算分析;計算結果表明：結構的橫向基頻隨著內傾角的增大而增大,結構剛度也逐漸增大;但在三種吊桿布置形式下,結構橫向基頻無明顯變化。

鋼管混凝土,系桿拱橋,動力特性

目前我國大力投資搞基礎建設,橋梁的建設規模宏大,以緩解日益增加的交通壓力。新一輪的高速鐵路和城際輕軌的建設對橋型、橋寬、橋跨、使用要求、荷載等級以及橋梁美學有更高的要求,而拱面的形式以及吊桿布置形式將會是當前研究的熱點問題,有許多結構方案提出了傾斜拱面加斜吊桿布置的結構形式,希望以此提高結構的整體剛度。文獻[1]對一座跨度 128m客運專線剛系桿拱進行了自振頻率及結構參數研究。文獻[2]以廣深高速公路東莞段的一座 130m鋼管系桿拱橋的結構設計方案為對象,就該橋的整體穩定屈曲特性和自振特性進行了分析。本文以一孔跨度為 136m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為對象,針對拱面和吊桿布置形式等問題展開討論,通過變化結構參數來分析結構的動力特性。

1 工程背景

紅柳林至神木西鐵路專用線格丑溝特大橋位于紅柳林至神木西新建鐵路線上,該橋為跨越格丑溝及 204國道而設,主橋采用一孔 136m鋼管混凝土系桿橋跨越。該橋為單線剛性系梁剛性拱橋,系梁與拱肋固接,整個結構為內部超靜定外部靜定。跨徑 L= 136m,全長 139.6m,拱軸線采用二次拋物線,矢跨比為 f/L=1∶5,矢高為27.2m,理論拱軸線方程為Z=0.8X-0.005 882 353X2,拱肋采用外徑 110 cm壁厚 18mm的鋼管混凝土截面,上下兩拱肋中心距2.5m,拱肋截面高3.6m,上下拱肋之間采用厚 14 cm的腹板連接,腹板間距 65 cm,腹板間不灌注混凝土。拱肋之間共設 1組米字形橫撐、6道 K撐,每道橫撐均為空鋼管組成的桁式結構。橫撐橫向鋼管外徑 600mm、K形鋼管外徑 450mm,壁厚均為12mm,拱肋上弦管橫撐及 K撐與下弦管橫撐及 K撐分別采用外徑29.9mm和24.5mm,壁厚為10mm的腹桿連接。全橋共設14對吊桿,吊點中心距 8m,每點吊桿為雙根 55-φ7平行鋼絲束組成,冷鑄鐓頭錨固,中心間距為 50 cm,系梁采用預應力混凝土簡支箱梁,系梁橫截面為單箱雙室截面,高為 2.8 m,端部加高至3.3m;梁頂寬11.2m,底寬9.0m。系梁兩端設鑄鋼鉸支座與橋墩相連,一端固定一端滑動。橋上為單線,設計活載為中—活載,設計行車速度為 80 km/h,地震基本烈度為6度,地震動峰值加速度為0.05g。

2 內傾角變化對結構動力特性的影響

本文將通過有限元軟件對拱肋在不同內傾角下進行建模分析[3],計算分析拱肋在內傾角變化時對結構動力性能的影響規律,從而確定動力性能相對較優的結構形式,文獻[4]通過一座鋼管混凝土拱橋的工程實例對此做了相關的分析工作。

通過有限元模型分析計算,得出的結構動力特性隨內傾角變化(考慮到模型拱肋之間距離為 8m,內傾角不能過大,取內傾角從 0°變化到 6°)的統計圖表,如表1所示。

表1 結構動力特性結果表

通過表 1可知,隨著內傾角的增大,橫向基頻、豎向基頻和扭轉基頻都有不同程度的提高,說明隨著內傾角的增大,結構的總體剛度也隨之增大。由于本模型兩拱肋之間距離為 8m,在矢跨比一定的條件下,內傾角不宜太大,對于內傾角大于 6°的情況,可以參考文獻[5]。

3 吊桿布置形式對結構動力特性的影響

本文將建立三個吊桿不同布置形式下的結構模型,以此來研究吊桿不同布置形式對結構動力特性的影響規律。

通過有限元模型的計算結果,給出吊桿不同布置形式下結構動力特性結果表格,如表 2所示。

表2 吊桿不同布置形式下動力特性表

通過對表 2中結果數據分析可知,在不同的吊桿布置形式下,結構的動力特性變化很大,斜吊桿和網狀吊桿布置形式下結構的豎向基頻都比豎吊桿布置形式下要大,網狀吊桿布置形式下的豎向基頻比豎吊桿布置形式下的值提高了 51%,網狀吊桿布置形式下的扭轉基頻比豎吊桿布置形式下的值提高了 6%。但在三種吊桿布置形式下,結構橫向基頻基本無變化,可以認為吊桿布置形式對結構橫向剛度無影響。

4 結構方案的比選

綜合前文得到的相關結論,通過對如下 6個結構方案進行分析對比以找到動力性能相對較優的結構方案。

1)平行拱肋豎吊桿;2)平行拱肋斜吊桿;3)平行拱肋網狀吊桿;4)提籃拱肋豎吊桿;5)提籃拱肋斜吊桿;6)提籃拱肋網狀吊桿。

其中拱肋的內傾角度為 6°,圖 1為不同方案下的有限元模型圖。

通過有限元程序分析計算得到的三種吊桿布置下結構的各階自振頻率的列表如表3所示。

表3 結構自振頻率表

通過表 3的計算結果可知,結構的橫向基頻、豎向基頻和扭轉基頻最高的都是方案 6。從結構動力性能的角度來考慮,方案6可以更好地滿足橋梁對結構動力性能的要求,但方案 6的施工工藝較為復雜,在施工過程中拱肋的線形的控制難度大,稍有偏差,對成橋后結構的整體受力影響很大。在其他條件相同的條件下,提籃拱網狀吊桿結構具有更高的結構剛度,在高速鐵路要求行車舒適的條件下,提籃拱的結構體系方案中具有更大的優勢,文獻[6]研究了高速鐵路尼爾森拱橋車橋動力特性,其結論與本文類似,文獻[7]也提出了類似觀點。

5 結語

1)內傾角對橫向、豎向和扭轉基頻有著不同程度的影響,橫向基頻隨著內傾角的增大而增大(本文只分析了在 0°～6°變化范圍內),而對豎向基頻在內傾角為 0°～4°范圍內沒有什么變化,當內傾角為 6°時,豎向頻率增大到 1.20。扭轉頻率在內傾角為 0°～

2°時沒有變化,在內傾角為 4°～6°時扭轉頻率有所增加。當內傾角為 6°時,橫向、豎向和扭轉頻率都達到最大值,也說明此時結構整體剛度最大。2)吊桿的布置形式對結構的豎向和扭轉頻率有較大的影響,斜吊桿和網狀吊桿布置形式下結構的豎向基頻都比豎吊桿布置形式下要大,但在三種吊桿布置形式下,結構橫向基頻無變化。3)相對于豎吊桿和斜吊桿,尼爾森體系的提籃拱具有更好的動力性能,在橋梁結構要求較大的橫向、豎向、扭轉剛度時可優先考慮。4)從施工角度考慮,在結構都滿足動力特性的情況下,建議首先使用平行拱肋豎吊桿的結構形式。

[1] 劉德軍,李小珍,司秀勇.客運專線剛系桿拱橋自振特性及結構參數研究[J].鐵路建筑,2007(4)：1-4.

[2] 劉世忠,歐陽永金,沈 波.鋼管系桿拱橋的整體穩定性及自振特性分析[J].甘肅科學學報,1994(1)：28-35.

[3] 于建華,謝用九.高等結構動力學[M].成都：四川大學出版社,2001：45-75.

[4] 程海根,強士中.鋼管混凝土提籃拱動力特性分析[J].公路交通科技,2002(6)：63-65.

[5] 何賡馀.高速鐵路系桿拱橋結構體系設計參數研究[D].成都：西南交通大學碩士學位論文,2006.

[6] 吳定俊,王小松,項海帆.高速鐵路尼爾森拱橋車橋動力特性[J].鐵道學報,2003(6)：96-100.

[7] 張石波,裴若娟.淺談尼爾森體系的鋼管混凝土提籃拱在鐵路橋梁中的運用前景[J].橋梁建設,2001(1)：56-58.

Analysis on dynam ic characteristic parameter of large-span bowstring arch bridge

FAN Qin-feng

Takingmain Gechougou Bridge as the background,through changing the internal leaning angle of arch rib and suspender layout forms,it calculates and analyzes the dynamic characteristics by applying finite element analysis program MIDAS.The calculation results show that：the transverse fundamental frequency of the structure will increase with the internal leaning angle increasing,structure rigid will gradually amp lify,structural transverse fundamental frequency doesn't has obvious change under three suspender layout forms.

Concrete-Filled Steel Tubu lar(CFST),bowstring arch bridge,barbor engineering

U 448.225

A

1009-6825(2011)09-0196-02

2010-11-26

范琴鋒(1982-),男,助理工程師,中鐵四院集團廣州設計院有限公司,廣東廣州 510600