大跨徑矮塔斜拉橋動(dòng)力特性分析

張念

【摘要】以某大跨徑矮塔斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘埃⒘巳S空間有限元模型，對(duì)其不同參數(shù)下動(dòng)力特性進(jìn)行分析，分析結(jié)果表明塔、索、恒載集度和主梁中跨跨徑均對(duì)其動(dòng)力特性有不同程度的影響

【關(guān)鍵詞】矮塔斜拉橋；動(dòng)力特性；恒載集度

1、引言

風(fēng)、地震和行駛車(chē)輛荷載等作用對(duì)結(jié)構(gòu)的響應(yīng)均是動(dòng)力問(wèn)題，而結(jié)構(gòu)的自振特性決定其動(dòng)力反應(yīng)的特點(diǎn)，對(duì)于矮塔斜拉橋，其一階縱漂、一階豎彎、一階側(cè)彎和一階扭轉(zhuǎn)周期對(duì)其抗風(fēng)、抗震性能具有重要意義，這就是要研究矮塔斜拉橋結(jié)構(gòu)自振特性的原因。而影響結(jié)構(gòu)自振特性的因素有很多，如：支承條件，斜拉索和主塔等。本文采用midas civil 2013對(duì)某大跨徑矮塔斜拉橋首先進(jìn)行自振周期和振型特征分析，其次研究不同參數(shù)對(duì)動(dòng)力特性的影響。其分析方法和結(jié)果可供相關(guān)工程技術(shù)人員參考。

2、工程概況

該橋（99+180+99）為塔、墩、梁固結(jié)體系。橋面寬25.8m。主梁為單箱三室變高度箱型截面，梁高根部5.8m，端部3m。墩為雙肢實(shí)心墩，高30m。塔為矩形實(shí)心截面，高29m。索為單索面雙排布置，4×9對(duì)，梁上縱向間距7m，塔上豎向間距為1.2m。

3、計(jì)算模型與動(dòng)力特性分析

3.1計(jì)算模型

本文采用Midas Civil 2013有限元軟件建立動(dòng)力分析模型。主梁、塔、墩采用梁?jiǎn)卧M，連接用共用節(jié)點(diǎn)模擬，斜拉索采用索單元模擬，其錨固用彈性連接中的剛接模擬，計(jì)算模型如圖1所示，以主梁中心為坐標(biāo)原點(diǎn)，縱橋向?yàn)閤軸，橫橋向y軸，豎向z軸。

圖1 計(jì)算模型

3.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

本文采用子空間迭代法對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。表1列出了前5階的自振周期及振型特征，圖2給出了部分振型圖。

圖2 部分振型圖

由表1和圖2可見(jiàn)：

一階振型特征為全橋縱漂，由于塔、墩、梁固結(jié)，周期為2.464069s，具有漂浮體系的特征，周期比同等跨徑漂浮體系斜拉橋周期短很多；三階周期為1.025955s，其振型特征為塔橫向?qū)ΨQ(chēng)，出現(xiàn)較晚，主梁橫向剛度較大，說(shuō)明了矮塔斜拉橋以主梁受力為主。

3.3不同參數(shù)下動(dòng)力特性分析

由德國(guó)的橋梁專(zhuān)家Herzog M.給出斜拉橋一階豎彎頻率的計(jì)算公式：

（1）

式中， 為一階豎彎頻率； 為彎曲剛度系數(shù)；m為主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度質(zhì)量； 為主梁豎向抗彎剛度； 為主塔順橋向抗彎剛度； 為抗拉剛度； 為中跨跨徑；a為平均索距； 分別為中跨跨中邊索的長(zhǎng)度和傾角。

為了進(jìn)一步分析該橋動(dòng)力特性，由公式（1）可以看出影響矮塔斜拉橋自振周期的因素主要有索的長(zhǎng)度、傾角，主梁質(zhì)量和中跨跨徑。因此本文分別對(duì)索、塔布置，恒載集度和中跨跨徑設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)行該橋動(dòng)力特性分析。

3.3.1索、塔的影響

本文主要研究斜拉索的排布位置不同和無(wú)索條件下對(duì)其相同跨徑橋梁的動(dòng)力特性進(jìn)行分析。扇形斜拉索矮塔斜拉橋和梁橋模型如圖3所示。

圖3扇形斜拉索模型和梁橋模型

索、塔參數(shù)動(dòng)力影響度公式：

（2）

式中， 是索和塔取不同設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)的振型周期值； 為相應(yīng)梁橋振型周期值。

從表2可以看出：對(duì)主梁一階豎向?qū)ΨQ(chēng)而言，矮塔斜拉橋影響度為8.38%，扇形斜拉索橋型影響度為9.56%，對(duì)其余各階振型的影響度均小于3%，說(shuō)明索、塔參數(shù)設(shè)置對(duì)矮塔斜拉橋一階豎向?qū)ΨQ(chēng)振型周期影響較大，對(duì)其他振型特征影響較小。對(duì)比以上三種模型分析，單索面矮塔斜拉橋拉索對(duì)主梁的低階振型的周期影響較小，拉索幾何非線性對(duì)動(dòng)力分析影響較弱，相較而言對(duì)主梁的一階豎向?qū)ΨQ(chēng)振型的影響較大， 前5階振型特征出現(xiàn)順序沒(méi)有變化。因此證明： 矮塔斜拉橋的動(dòng)力特性主要取決于梁的動(dòng)力特性，具有梁橋的動(dòng)力特性本質(zhì)。

3.3.2恒載集度對(duì)矮塔斜拉橋的動(dòng)力特性影響

當(dāng)主梁按1.0，1.2，1.5和2.0倍率逐漸增大時(shí)，分別記錄一階對(duì)稱(chēng)豎彎、一階反對(duì)稱(chēng)豎彎、一階對(duì)稱(chēng)側(cè)彎和一階反對(duì)稱(chēng)側(cè)彎周期變化。見(jiàn)表3。

從表3可以看出：當(dāng)恒載倍率逐漸增大時(shí)，橫彎與豎彎的周期都在增大，一階對(duì)稱(chēng)豎向彎曲的周期增大幅度最明顯，恒載倍率由1.0增加到2.0時(shí)，一階對(duì)稱(chēng)豎彎周期由1.686613s增加到1.820299s，說(shuō)明恒載集度對(duì)振型周期的影響較大，從而間接說(shuō)明（1）式中m越大，其一階豎彎頻率越小。

3.3.3中跨跨徑對(duì)矮塔斜拉橋動(dòng)力特性影響

分別以該矮塔斜拉橋（99m+180m+99m）和99m+250m+99m的僅主梁中跨跨徑長(zhǎng)度不一樣的矮塔斜拉橋進(jìn)行模型的動(dòng)力特性分析。其結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：中跨跨徑 對(duì)矮塔斜拉橋的振型周期的大小和振型特征有較大影響，其中跨跨徑越大，其振型周期值越大。其振型特征的順序有所改變。

4、總 結(jié)

本文采用Midas Civil 2013有限元軟件，利用振型周期和振型特征對(duì)其某矮塔斜拉橋動(dòng)力特性進(jìn)行了研究，結(jié)論如下：

矮塔斜拉橋動(dòng)力特性與索、塔的設(shè)計(jì)參數(shù)，恒載集度和主梁主跨跨徑有關(guān)，拉索對(duì)主梁的低階振型的周期影響較小，恒載集度對(duì)一階豎彎周期影響較大，主梁跨徑對(duì)周期和振型特征都有較大影響，說(shuō)明矮塔斜拉橋的動(dòng)力特性具有斜拉橋和梁橋的雙重性質(zhì)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王克海 橋梁抗震研究（第二版）中國(guó)鐵道出版社 2014-3

[2] 馮東明 獨(dú)塔斜拉與連續(xù)剛構(gòu)組合橋梁動(dòng)力特性及參數(shù)影響分析 2010-3

[3] 錢(qián)光 大跨徑矮塔斜拉橋抗震性能分析 2011-1