某雙塔斜拉橋動力特性分析

摘要：利用midas Civil有限元程序對某雙塔雙索面斜拉橋空間有限元模型，進行結構動力特性分析，總結了該類結構體系斜拉橋的動力特性，可為同類橋梁的分析提供參考。

關鍵詞：斜拉橋；空間有限元；振型；動力特性

1 引言

現代斜拉橋自20世紀60年代傳入我國后蓬勃發展，并在90年代后出現了新的發展高潮，跨徑日益增大，與此同時，斜拉橋的理論方法和實踐得到了迅速發展，在進入21世紀以來，斜拉橋在我國更是得到了大量地建造。對于此類大跨結構，風、地震、波浪等復雜環境下的結構反應往往成為問題的關鍵，有時甚至控制著結構的設計。眾所周知，結構動力反應與其自振特性密切相關，因此有必要對結構的振型與頻率進行研究，以便正確把握其在動力作用下的反應。

2 工程概況及有限元模型

本文針對某雙塔雙索面斜拉橋（設計方案），借助midas Civil軟件建立了全橋空間有限元分析模型，如圖1所示。該橋全長840m，跨徑布置為190m+460m+190m，橋面寬26m，主梁為實體雙主梁截面，采用矩形肋梁。橫梁間距為4m，厚度為0.25m。橋塔在順橋向呈單柱型，在橫橋向呈梯形，塔高145.3m，采用箱形薄壁斷面。塔、梁固結，在橋墩上設置限位支座。該橋跨徑為190m+460m+190m，采用主梁、橋塔、橋墩三者互為固結的剛構體系，索距8m，采用扇形索面，全橋共230根斜拉索。根據全橋結構的總體布置和構造特點，加勁梁采用雙主梁模式，加勁梁、橫梁、橋塔和橋墩采用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，橫隔板、橋面鋪裝等附加質量采用節點質量來模擬。

3 結構動力特性分析

忽略阻尼的影響，結構自由振動的運動方程可表示為

（1）

對應的特征方程為

det([K]- ω2[M])={0}（2）

其中，[M]、[K]分別為結構體系的質量和剛度矩陣，{u(t)}、 分別為體系各節點的位移向量和加速度向量，ω為圓頻率。在考慮結構初始平衡狀態的基礎上，采用Lanczos法對（2）式進行求解，可得結構各階自振頻率和振型向量。表1給出了結構前15階振型頻率和振型特征，各階振型圖如圖2所示。

從分析結果可以看出，結構前9階振型主要為表現為主梁的豎向和橫向彎曲，而沒有出現橋塔的彎曲振型，說明了主梁較柔的特點而橋塔具有較大的彎曲剛度；第5階為主梁的一階扭轉振型，表明主梁抗扭剛度較小，這也與該橋采用豎向索面布置有關。在第10階振型之后，陸續出現了橋塔的彎曲振型，其中以上塔柱的側彎較早，個別振型還伴隨著主梁的彎曲，說明在地震作用下當高階振型被激起時，將可能出現橋塔與主梁的耦合振動。

4 結論

本文針對某雙塔雙索面斜拉橋，基于midas Civil有限元程序對結構建立空間有限元模型，在考慮初始恒載影響的基礎上對結構的動力特性進行了分析，結論如下：

（1）結構的基頻為0.4711Hz，大于一般的梁橋，說明該橋的整體剛度較小，表現出了良好的柔性；

（2）主梁豎向彎曲振型出現較早，而橋塔的彎曲振型則出現較晚，并且在較高的陣型中主梁的豎彎伴隨著橋塔的縱向彎曲，在地震作用下當此類振型被激起時，將會出現橋塔與主梁的耦合振動，使結構的受力狀態變得更為復雜；

（3）主梁的扭轉振型出現相對較早，說明采用的橋面較寬的實體雙肋梁截面的抗扭剛度不太理想，應考慮采用抗扭性能更好的截面；

（4）主塔的橫向彎曲振型出現的較晚，說明主塔橫向剛度足夠大，但上塔柱的側向剛度則應予以相應地提高；

（5）在第14階振型中，出現主梁的橫彎及扭轉相互耦合的振型，在風荷載的作用下，將有可能誘發主梁的彎、扭耦合現象，危及結構的抗風穩定性，應予以重視。