鋼桁拱靜動力特性分析

彭小明 王飛

中交公路規劃設計院有限公司，北京100088

拱是一種能與自然環境和諧相融的結構形式，給人以一種渾然天成的美感。鋼桁拱剛度大，其穩定性和抗震性能好，在我國城市橋梁中具有較強的競爭力。本文結合工程實例，探討其靜動力特性。

1 工程概況

某鋼桁拱橋，雙向六車道，公路I級。上、下弦線形均采用二次拋物線；主桁采用變高度的“N”行桁式，全橋采用變節間布置，拱肋上下弦設有平縱聯。橋面結構為正交異性鋼橋面板，厚14mm，采用閉口“U”肋結構，橫隔板縱向按3m一道設置。主桁結構材質采用Q420qD和Q370qD，其余采用Q345qD。主桁節點主要采用M30高強度螺栓連接，聯結系采用M24高強度螺栓。

圖1 不同工況下索力變化圖

2 靜力分析

利用MIDAS Civil建立了有限元分析模型，共有節點1504個，單元3519個單元，其中主桁桿件和聯結系采用空間梁單元模擬，吊桿采用只受拉桿單元模擬。

實際運營中吊桿的健康狀態對于拱橋的安全而言，至關重要。多數拱橋的垮塌和斷裂等重大事故大多與其有關，若能進行實時監測，是可以避免的。這里拱肋采用梁單元模擬，吊桿采用只受拉桿單元模擬，橋面系采用梁格體系，建立精細分析模型，精確計算，為設計和后期監測提供參考。

本文分析恒載+活載作用下吊桿損傷對拱橋性能的影響。由于結構的對稱性，通過截面積的變化和單側吊索分析來研究吊桿損傷。分跨中吊桿損傷20%及40%（即截面積減少）、最外側吊桿損傷20%及40%、吊桿完整等5種計算工況計算拱橋內力影響，結果如圖1(僅示出1/2桁吊桿)。

由圖1可知，吊桿剛度由于損傷而減小，導致索力重分布?？缰械鯒U損傷僅對其周圍小范圍內其他吊桿有影響，影響大小和損傷程度有關。最外側吊桿損傷，由于能分擔的拉力減小，從而使其相鄰吊桿的拉力增大，導致局部吊桿拉力增大。因此，單根吊索損傷會導致其自身張力減小，相鄰吊索的張力增大。

3 動力分析

自振特性（自振頻率和振型）是橋梁結構的固有特性，反映了橋梁的剛度指標，是橋梁抗風抗震設計的前提和基礎。在抗風抗震分析中，結構的動力特性分析是不可或缺的。實際振型是豎向、縱向、橫向和扭轉四種基本振型中幾種或全部在空間上的耦合。經計算，鋼桁拱橋成橋狀態的前6階頻率和振型詳見表1，圖2。

表1 成橋自振特性

圖2 振型圖

4 結語與建議

1）通過對吊桿損傷分析研究，發現吊桿損傷通過對結構剛度的影響導致靜張力重分布，使局部桿件內力增大，打破原有結構內力平衡，不利于正常使用狀態下的結構安全。

2）從結構的動力特性分析來看，結構體系的面外剛度稍弱，可以通過其他輔助措施加強結構的抗風。

[1]彭小明.大跨度鋼桁架拱橋仿真計算分析[D].北京:北京交通大學,2008.

[2]陳仁福.大跨懸索橋理論[M].成都:西南交通大學出版社,1994.

[3]徐君蘭.大跨度橋梁施工控制[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4]TB 10002.2-2005，鐵路橋涵鋼結構設計規范[S].北京：中國鐵道出版社,2005.

[5]JTJ025-86,公路橋涵鋼結構及木結構設計規范[S].北京：人民交通出版社,1988.

[6]GB 50017-2003,鋼結構設計規范[S].北京：中國計劃出版社,2003.