某連續梁拱橋設計參數研究

辛躍輝

中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031

某連續梁拱橋設計參數研究

辛躍輝

中鐵二院工程集團有限責任公司，四川 成都 610031

以某連續梁鋼管混凝土拱橋為研究對象，建立空間結構模型，計算并比較連續梁鋼管混凝土拱橋的自振特性，進一步探討了橫撐剛度和拱肋截面形式對連續梁鋼管拱橋動力特性的影響，為此類橋梁的設計提供參考。

引言

連續梁鋼管混凝土拱橋利用鋼管的套箍作用，使混凝土處于三向受力狀態，使其承載力大大提高，同時也能提高混凝土的塑性性能。另一方面，混凝土內填于鋼管之內，增強了鋼管的管壁穩定性，剛度也遠大于鋼結構，使其整體穩定性也有了極大的提高。[1]本文以某連續梁鋼管混凝土拱橋為研究對象，建立空間結構模型，計算并比較連續梁鋼管混凝土拱橋的自振特性，進一步探討了橫撐剛度和拱肋截面形式對連續梁鋼管拱橋自振特性的影響，為此類橋梁的設計提供參考。

1 有限元模型的建立

采用通用有限元軟件MIDAS建立本橋的空間有限元模型。梁、柱、拱、橫撐和吊桿均采用梁單元模擬。主梁通過支座與橋墩相連；梁－墩之間的約束關系可通過主從節點來方便地模擬。對于鋼管混凝土組合截面，按抗彎剛度等效的原則，計算組合截面的等效彈性模量[1]， 即

2 自振特性計算

2.1 基本方程

動力分析的運動微分方程組[2]為：

2.2 結果及分析[3]

（1）該橋第一階振型為拱對稱橫振，表明拱的面內剛度大于面外剛度。因為拱肋面內振動要引起主梁的振動，所以阻力大，頻率高，面內振型出現晚于面外振型；（2）連續梁鋼管混凝土拱橋的面外基頻比面內基頻低，說明該類橋梁的橫向剛度比較小，因此連續梁鋼管混凝土拱橋的橫向穩定性問題不容忽視

3 結構自振特性參數分析

3.1 橫撐的影響[3]～[5]

為了研究某連續梁鋼管拱混凝土橋橫撐對自振特性的影響，分別考慮了兩種情況：增加橫撐剛度和減少橫撐數量。其中增加橫撐剛度又分為剛度總體增加10%、拱腳處橫撐剛度增加10%以及拱頂處橫撐剛度增加10%三種情況；減少橫撐數量又分為減少靠近拱頂處的一對橫撐和減少靠近拱腳處的一對橫撐兩種情況，計算結果見表1。

表1 某連續梁鋼管混凝土拱橋

由表1可以看出：

a)橫撐的數量和布置對面內基頻影響不大；

b)拱腳處橫撐對結構的面外基頻影響比拱頂處的大，因而拱腳處橫撐對結構的橫向剛度影響比拱頂處的大。

3.2 拱肋的影響[3]

為了研究拱肋對自振特性的影響，分別考慮了改變鋼管拱厚度和鋼管拱半徑兩個方面，其中鋼管拱厚度由12mm變化到20mm，鋼管拱半徑由45cm變化到60cm。計算結果見表2。

表2 拱肋對自振特性的影響

從表2可以看出，⑴增加鋼管拱厚度，某連續梁鋼管混凝土拱橋面外基頻減少，但減少幅度不大；⑵增加鋼管拱半徑，某連續梁鋼管混凝土拱橋面外基頻保持不變，面內基頻減少；⑶不論是改變鋼管拱厚度還是改變鋼管拱半徑，目的都是為了改變鋼管拱的剛度，但鋼管拱剛度的變化對結構的自振頻率的影響不大。因此，通過改變拱肋截面尺寸來改變自振頻率的效果不大。

4 結論

通過對某連續梁鋼管混凝土拱橋的分析比較可以得出以下結論：

1)連續梁鋼管混凝土拱橋振動基頻較小，小于傳統的鋼筋混凝土拱、石板拱等剛性拱橋，因此其動力性能有其自身的特點；

2)連續梁鋼管混凝土拱橋的面內基頻比面外基頻大，因此拱的橫向穩定性問題不容忽視；

3)連續梁鋼管混凝土拱橋受橫撐的結構形式、布置以及剛度影響較大，尤其是橫向振動，豎向振動所受影響不明顯；

4)實際設計時，拱肋剛度以滿足靜力性能為主。

[1] 陳寶春. 鋼管混凝土拱橋設計與施工.北京：人民交通出版社.1999

[2] 李國豪.橋梁結構穩定與振動.北京：中國鐵道出版社.1992

[3] 陳水盛，陳寶春.鋼管混凝土拱橋動力特性分析. 公路，2001（2）

[4] 李傳習，郭科. 南寧永和大橋動力特性研究. 長沙理工大學學報.2005（12）

[5] 歐碧峰，趙燦暉，樂建平. 大跨度鋼管混凝土拱橋的動力特性分析.2005（6）

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.024

辛躍輝，女，1982年01月出生；籍貫：遼寧建昌；職稱：工程師；學歷：大學本科；研究方向：從事鐵路連續梁（剛構）、鐵路連續梁-拱橋的研究。

自振特性；橫撐；拱肋；拱橋