輔助墩對(duì)混合梁斜拉橋非線性靜動(dòng)力特性的影響

鐘加峰

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北武漢 430052)

0 引言

混合梁斜拉橋具有主跨跨越能力大、邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁能夠總體上提高整座橋的剛度、減小主梁和拉索的疲勞影響、抗風(fēng)性能和建筑外觀得到改善以及主塔和邊跨預(yù)應(yīng)力混凝土梁可同時(shí)施工等一系列優(yōu)點(diǎn)［1］。而獨(dú)塔斜拉橋由于只有一個(gè)主塔，可以選擇修建在地基條件較好的一邊，不但降低了造價(jià)，而且整體結(jié)構(gòu)造型美觀，被廣泛應(yīng)用于跨徑小于400 m的橋梁［2］。而結(jié)構(gòu)形式特殊的混合梁獨(dú)塔斜拉橋，其受力性能與普通斜拉橋又有所不同，但目前對(duì)此類橋型的各方面性能的研究相對(duì)較少，因此對(duì)混合梁獨(dú)塔斜拉橋的研究具有一定的工程價(jià)值。

本文以混合梁斜拉橋?yàn)檠芯繉?duì)象，計(jì)算分析了輔助墩對(duì)其靜動(dòng)力特性的影響［3-5］。

該橋?yàn)榛旌狭邯?dú)塔雙索面斜拉橋，采用整體箱花瓶式塔身，塔梁墩固結(jié)體系，承臺(tái)以上塔身高182 m，主跨跨徑為338 m，邊跨布置為72 m+56 m+52 m，橋梁全長(zhǎng)518 m，斜拉索采用扇形雙索面，主梁采用混合梁，其中主跨布置:297 m鋼箱梁+41 m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，邊跨均采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。混凝土箱梁采用單箱三室結(jié)構(gòu)，箱梁頂面寬36 m，全寬38 m，梁高3.3 m，結(jié)構(gòu)外形與鋼箱梁一致，采用支架施工，邊跨設(shè)置2個(gè)輔助墩。立面圖見(jiàn)圖1。

圖1 混合梁斜拉橋立面圖（單位：cm）

1 有限元模型的建立

利用ANSYS建立了全橋有限元模型。模型類型采用工程常用的脊梁模式［6，7］，將橋面系的剛度和質(zhì)量都集中在主梁中間節(jié)點(diǎn)，利用剛臂單元連接節(jié)點(diǎn)和斜拉索，主塔、主梁和剛臂均采用Beam4單元，斜拉索采用Link10單元，并依據(jù)Ernst公式考慮斜拉索的非線性影響。全橋有限元離散模型見(jiàn)圖2。

圖2 全橋有限元離散模型

2 混合梁獨(dú)塔斜拉橋在不同輔助墩設(shè)置情況下的靜動(dòng)力特性

在下面的分析中，建立了三種輔助墩的設(shè)置方式來(lái)分析其對(duì)混合梁獨(dú)塔斜拉橋的靜動(dòng)力特性的影響。

結(jié)構(gòu)形式1:邊跨設(shè)置2個(gè)輔助墩，分別距塔72 m，128 m;

結(jié)構(gòu)形式2:邊跨設(shè)置1個(gè)輔助墩，距塔72 m;

結(jié)構(gòu)形式3:邊跨不設(shè)置輔助墩。

2.1 3種結(jié)構(gòu)形式靜力特性分析

由圖3可以看出，有輔助墩時(shí)，邊跨混凝土段及主跨鋼箱梁段主梁豎向位移均較小，線形比較平順，無(wú)輔助墩時(shí)，主跨與邊跨均產(chǎn)生較大的豎向位移。

由圖4可以看出，有無(wú)輔助墩在主塔附近均會(huì)產(chǎn)生較大彎矩，有輔助墩時(shí)，混凝土段負(fù)彎矩較小;無(wú)輔助墩時(shí)，混凝土段產(chǎn)生負(fù)彎矩較大。綜合圖3，圖4可以看出:輔助墩的設(shè)置提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，使彎矩分配更為合理，有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖3 主梁豎向位移

圖4 主梁彎矩

2.2 3種結(jié)構(gòu)形式動(dòng)力特性分析

從表1～表3的數(shù)據(jù)可以看出:

1)輔助墩的設(shè)置對(duì)主梁一階振型的影響比較明顯，且使得主梁的基準(zhǔn)頻率有明顯提高;

2)3種結(jié)構(gòu)形式下，各主要振型出現(xiàn)的順序基本一致，且同一振型下，有無(wú)輔助墩對(duì)頻率的影響并不大;

3)有輔助墩時(shí)，主塔側(cè)彎均為第三階振型，而無(wú)輔助墩時(shí)為第四階振型，且頻率一樣，輔助墩對(duì)主塔側(cè)彎頻率的影響很小;

4)沒(méi)有輔助墩時(shí)，第三階振型中主梁以邊跨為主的一階豎彎振型與主塔豎彎振型耦合，而有輔助墩時(shí)未出現(xiàn)此振型，輔助墩對(duì)邊跨的剛度影響明顯;

5)有無(wú)輔助墩時(shí)，主梁扭轉(zhuǎn)頻率基本一致，輔助墩對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)頻率的影響較小。

表1 結(jié)構(gòu)形式1頻率及振型

3 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)混合梁獨(dú)塔斜拉橋設(shè)置不同的輔助墩時(shí)，其靜動(dòng)力特性亦隨之不同。由以上分析可以得出以下幾點(diǎn)結(jié)論:

1)輔助墩的設(shè)置使結(jié)構(gòu)的受力更加均勻，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，使整個(gè)結(jié)構(gòu)的安全性更高，隨著輔助墩個(gè)數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的整體剛度亦會(huì)有所增強(qiáng)，但超過(guò)2個(gè)時(shí)影響有限。

表2 結(jié)構(gòu)形式2頻率及振型

表3 結(jié)構(gòu)形式3頻率及振型

2)輔助墩的設(shè)置提高了結(jié)構(gòu)的基準(zhǔn)頻率，但輔助墩數(shù)量的增加不影響橋梁整體振型出現(xiàn)的順序，且對(duì)其相應(yīng)的頻率影響有限。

3)輔助墩的設(shè)置對(duì)主梁的扭轉(zhuǎn)頻率影響較小。

［1］陳開(kāi)利，余天慶，習(xí) 剛.混合梁斜拉橋的發(fā)展與展望［J］.橋梁建設(shè)，2005(2):1-4.

［2］陳開(kāi)利.獨(dú)塔斜拉橋的建設(shè)與展望［J］.橋梁建設(shè)，1998(3):33-36.

［3］揚(yáng)達(dá)文.輔助墩對(duì)斜拉橋動(dòng)力性能的影響［J］.廣東土木與建筑，2003(6):62-63.

［4］曹永睿，鐘鐵毅，顧正偉，等.大跨度斜拉橋地震響應(yīng)分析［J］.鐵道建筑，2007(5):23-27.

［5］葉愛(ài)君，胡世德.混合式斜拉橋的動(dòng)力性能分析［A］.第十二屆全國(guó)橋梁學(xué)術(shù)會(huì)議［C］.1996:601-606.

［6］倪燕平，趙會(huì)東，周世軍.獨(dú)塔斜拉橋動(dòng)力分析［J］.甘肅科技，2005(6):134-137.

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