矮塔斜拉橋不同梁高條件下動力性能分析

■陳念張磊（.武漢金思路科技發展有限公司，武漢430000l；.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢430000）

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矮塔斜拉橋不同梁高條件下動力性能分析

■陳念1張磊2
（1.武漢金思路科技發展有限公司，武漢430000l；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，武漢430000）

以某實體矮塔斜拉橋為例，建立有限元模型分析不同主梁高度下矮塔斜拉橋的動力性能，對該橋型不同梁高下的動力性能進行歸納總結，對設計矮塔斜拉橋主梁高度提供一定參考。

矮塔斜拉橋有限元主梁高度動力性能

1前言

矮塔斜拉橋屬于斜拉-連續（剛構）體系橋梁，它具有主梁剛度較普通斜拉橋大、較矮的主塔以及斜拉索較為集中的這三個主要特點，是剛度介于連續梁與斜拉橋之間的一種斜拉-連續（剛構）組合體系橋［1］。它是近20年才發展起來的一種新型橋梁結構，近十年來應用較多，受到廣泛的關注，國內外已有多座矮塔斜拉橋在建或已建成投入運營。矮塔斜拉橋以其優越的結構性能、良好的經濟性能、成熟的建造工藝以及優美的景觀效應使它逐漸成為一種極具競爭力的橋型。

2工程實例

2.1工程概況

該實體大橋為高速公路跨江大橋，橋跨布置為：30m預應力砼T梁+（108+180+108）m矮塔斜拉橋+（14×30）m預應力砼T梁。全橋總長857m（含橋臺長）。

2.2主要技術標準

（1）橋面為雙向四車道高速公路標準布置；橋面寬27.3m（0.5m防撞欄+11.75m車行道+2.8m中央分隔帶+ 11.75m車行道+0.5m防撞欄桿=27.3m），橋塔和斜拉索設置在中央分隔帶內。

（2）設計速度：100km/h。（3）設計荷載：公路-I級。（4）設計洪水頻率：1/300。（5）通航標準：無。

（6）地震動峰值加速度：0.16g。

2.3主橋結構形式

2.3.1主梁

主梁為單箱三室斜腹板變截面箱梁。混凝土強度等級為C55。主梁根部高度為5.8m，端部等截面段主梁高度為3m，高度按二次拋物線變化。0號塊長12m，主梁高度變化段每側各84m，邊跨等梁高段每側18.76m，中跨等高梁段長2m，為跨中合攏段。箱梁頂寬27.3m，底寬15.928～17.327m。懸臂板長4.5m，頂板厚28cm，底板厚度由跨中32cm逐漸加大至根部為110cm，0號塊內底板厚140cm。外側腹板為斜腹板，厚度在塔墩兩側各5～54m段為80cm，54m～57.5m為腹板變厚過渡段，57.5m～89m為60cm，0號塊段內為100cm。內側腹板為直腹板，厚度在塔墩兩側各5～54m段為60cm，54m～57.5m為腹板變厚過渡段，57.5m～跨中段為40cm，0號塊段中室為實心段。懸臂施工每節段長度為3.5或3.0m，最大節段重量為約391.3t，在張拉斜拉索的梁段內設置有橫隔板，間距7m，橫隔板厚40cm。

2.3.2主塔

主塔采用矩形實心斷面，C55混凝土。從底部到頂部為等截面，平面尺寸為5.5m×2.6m，橋面以上塔高29m，布置在中央分隔帶上，并與箱梁固結。塔身上部設有鞍座，以便拉索通過，每根斜拉索對應一個分絲管，斜拉索橫橋向呈兩排布置，分絲管亦設兩排，分絲管橫橋向間距1m。

2.3.3斜拉索

斜拉索為單索面、雙排布置在中央分隔帶上，全橋共采用4×9對斜拉索。斜拉索梁上縱向間距7.0m，雙排橫向布置間距為1.0m，塔上豎向間距1.2m（理論值：為斜拉索與塔中心交點的豎向間距）。斜拉索在塔頂連續通過分絲管，兩側對稱錨于梁體。

2.3.4塔墩及橋墩

主橋2、3號墩采用鋼筋混凝土變截面薄壁空心墩，橋墩橫橋向寬均為15.928m，縱橋向墩頂寬9m，沿高度方向按80∶1的傾率擴大橋墩截面，2號墩墩底縱橋向寬11.375m，3號墩底寬11.3m。承臺厚度為6m，采用25×Φ2.0m鉆孔樁基礎。1、4號過渡墩采用鋼筋混凝土等截面薄壁空心墩，平面尺寸為20.5×3.0m，承臺厚度為4m，采用10×Φ2.0m鉆孔樁基礎。引橋橋墩采用“Y”形墩，承臺厚度為2.5m，采用4×Φ1.4m鉆孔樁基礎，按摩擦樁設計。

3有限元模型建立

運用橋梁有限元分析軟件MidasCivil2010建立空間有限元計算模型。全橋結構離散為369個節點，330個單元。主梁采用變截面梁單元進行離散，斜拉索采用只承受拉力的桁架單元進行模擬。主塔與橋墩均采用梁單元進行模擬；用一般支承模擬邊墩支座和墩底固結，用彈性連接里的剛性連接模擬塔墩梁固結。考慮到斜拉索錨固點偏心的影響，用主從連接模擬斜拉索與主梁、橋塔的連接。主梁、橋墩、全橋模型圖如圖1～3所示。

圖1　矮塔斜拉橋模型主梁劃分圖

圖2　橋墩的模擬

圖3　全橋整體有限元模型

4不同梁高情況下動力特性分析

4.1自振特性的計算

本實例為塔梁墩固結體子，主要由塔、梁和墩來抵抗地震力。采用MIDAS2010進行結構離散，運用blocklanczos對工程實例進行模態分析。針對本文模型，提取矮塔斜拉橋的前20階振型范圍內的振型進行分類歸納，分別為以下四種振型：（1）主梁豎彎、塔墩縱向振動；（2）主梁橫彎、塔墩橫向振動；（3）主梁橫向振動；（4）主塔橫向振動。為方便研究分別提取五階主梁豎彎、塔墩縱向振動；五階主梁橫彎、塔墩橫向振動；一階主梁橫向振動；一階主塔橫向振動四種類型。

4.2主梁高度變化對自振特性的影響分析

主梁高度變化下主梁豎彎、塔墩縱向振動，主梁橫彎、塔墩橫向振動，主梁橫彎以及主塔橫向振動計算數據如圖1～3所示。

表1　主梁豎彎、塔墩縱向振動頻率計算表（單位：Hz）

表2　主梁豎彎、塔墩橫向振動頻率計算表（單位：Hz）

表3　主梁橫彎、主塔橫向振動頻率計算表（單位：Hz）

（1）由表1中可以看出，主梁豎彎、塔墩縱向振動前五階振動頻率隨著主梁高度的增高而逐漸增加的趨勢，且隨著階數的增加其增幅逐漸增大。前五階增幅分別為：1.5%、10.2%、13.6%、15.1%、14.5%。

（2）由表2中看出，主梁豎彎、塔墩橫向振動的前五階振動頻率隨著主梁高度的增加而逐漸減小，隨著階數的增加其增幅先減小后增大。前五階的增幅為1.4%、0.1%、0.2%、0.4%、1.0%。

（3）由表3中可以看出，隨著主梁高度的增加，主梁一階橫彎和主塔一階橫向振動均呈單調遞減。減幅分別為0.8%、0.2%。

4結論

本文通過計算實橋的自振特性對矮塔斜拉橋進行動力分析，隨著主梁高度的增加剛度也隨之增加，但其自重也逐漸增大。主梁豎彎、塔墩縱向振動前五階振動頻率隨著主梁高度的增高而逐漸增加的趨勢，且隨著階數的增加其增幅逐漸增大；主梁豎彎、塔墩橫向振動的前五階振動頻率隨著主梁高度的增加而逐漸減小，隨著階數的增加其增幅先減小后增大。主梁高度的增加，主梁一階橫彎和主塔一階橫向振動均呈單調遞減。為保證橋梁良好的動力性能，對主梁高度的選取參照規范進行優化，在增加主梁高度的同時適當減小腹板的厚度以減小主梁的自重集度。

［1］陳從春，肖汝誠.中國公路學會橋梁和結構工程分會2005年全國橋梁學術會議論文集.2005-10-01.

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［4］蔡鵬程.三跨預應力混凝土部分斜拉橋動力特性及地震反應特性研究.福州大學碩士論文，2005-12-01.

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［6］于建華，謝用九，魏泳濤.高等結構動力學.四川大學出版社，2001.

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［8］愛德華，L威爾遜.結構靜力與動力分析.北京：中國建筑工業出版社，2006.

［9］行業標準：中交路橋技術有限公司.JTGB02—2013，公路工程抗震規范.北京：人民交通出版社，2013.

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