大跨度懸索橋結(jié)構(gòu)的合理性研究

王文英++劉增光

摘 要：以珠江虎門大橋?yàn)槔诮Y(jié)構(gòu)模態(tài)分析，對(duì)結(jié)構(gòu)合理性作了初步研究，探討了結(jié)構(gòu)尺寸、支撐位置對(duì)結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響規(guī)律。通過改變加勁梁截面形狀與主塔支撐位置，定性地分析其與結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)之間的關(guān)系，具有一定的工程指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：虎門大橋；模態(tài)分析；結(jié)構(gòu)合理性

虎門大橋?yàn)閱慰珉p鉸加勁梁，其結(jié)構(gòu)特性主要包括：寬跨比、高跨比等。在虎門大橋的寬度確定以后，加勁梁高小些，斷面的流線型好些，有利于風(fēng)動(dòng)穩(wěn)定，但是高度太小會(huì)導(dǎo)致加勁梁的抗扭剛度削弱太多，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)在同樣的載荷下產(chǎn)生更大的變形，此外還容易導(dǎo)致渦振和抖振的發(fā)生產(chǎn)生結(jié)構(gòu)疲勞。所以選定加勁梁結(jié)構(gòu)的合理形狀極為重要，它是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

1 懸索橋有限元模型的建立

懸索橋結(jié)構(gòu)主要包括主纜、吊索、加勁梁、主塔、鞍座、索夾，錨碇等。虎門大橋位于珠江口，于1992年10月底開工，歷時(shí)4年7個(gè)月，于1997年6月9日建成開通。虎門橋的垂跨比為1/10.5，加勁梁的支撐體系為單跨雙鉸。實(shí)物模型向有限元模型轉(zhuǎn)換時(shí)，需在結(jié)構(gòu)、載荷等方面進(jìn)行模型化處理，盡可能使兩者的力學(xué)性能一致。有限元建模時(shí)，首先分別建立懸索橋各構(gòu)成部分的有限元模型，主要包含懸索、吊桿、然后根據(jù)各部分之間的約束關(guān)系建立整橋的模型。對(duì)于加勁梁，由于其實(shí)際結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，有限元模型可能會(huì)因節(jié)點(diǎn)過多而難以分析，因此采取整體彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度與原始加勁梁等效的原則對(duì)其進(jìn)行簡化。根據(jù)各部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合適的單元類型—加勁梁選擇薄殼單元，懸索、主塔與吊桿選擇空間梁單元，最后通過節(jié)點(diǎn)間的耦合形成整橋有限元模型。邊界條件是將懸索橋兩邊錨碇看作固定端；主塔底端固定，上方自由。綜合以上幾點(diǎn)建立等效后的虎門橋有限元模型如圖1所示。

2 加勁梁的形狀、尺寸合理性研究

在不改變加勁梁高度、總體質(zhì)量、橫截面面積的情況下，計(jì)算分析不同寬度下，其結(jié)構(gòu)模態(tài)參數(shù)的變化規(guī)律。設(shè)加勁梁原始寬度為B，分別計(jì)算加勁梁在相同的約束下，寬度為0.6B、0.8B、B、1.05B、1.1B、1.15B以及1.3B時(shí)的頻率，其結(jié)果見表1。

從表1我們可以得到以下的結(jié)論：隨著寬度的改變，豎彎振型所對(duì)應(yīng)的頻率變化幅度并不很明顯，但是側(cè)彎振型所對(duì)應(yīng)的頻率變化比較顯著。

3 加勁梁的支撐位置合理性研究

虎門橋主纜的分跨布置為302m+888m+348.5m，改變虎門橋的加勁梁的支撐位置，用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析，得到的分析結(jié)果可以給設(shè)計(jì)者提供一定的參考價(jià)值。

I：加勁梁主跨為824m；II：加勁梁主跨為840m；III：加勁梁主跨為872m；

IV：加勁梁主跨為888m；V：加勁梁主跨為896m；VI：加勁梁主跨為904m；

VII：加勁梁主跨為936m。

不同主塔支撐位置下，加勁梁模態(tài)頻率見表2。

從表2我們可以得到如下結(jié)論：隨著支點(diǎn)的內(nèi)移，第一、二、五、六階頻率成增大趨勢(shì)，且變化程度隨著內(nèi)移尺寸的增大而增大；隨著支點(diǎn)的內(nèi)移，第三、四階頻率成減小趨勢(shì)，且變化程度隨著內(nèi)移尺寸的增大而增大。

總之，加勁梁的寬度對(duì)加勁梁的側(cè)彎頻率有顯著的影響，而對(duì)豎彎模態(tài)雖然有一定的影響，但是程度不大；當(dāng)改變加勁梁支撐點(diǎn)位置時(shí)，振型沒有發(fā)生變化，頻率變化隨著移動(dòng)尺寸的增大越來越明顯，可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐牡乩憝h(huán)境，選擇合適的支撐位置。

參考文獻(xiàn)

[1]嚴(yán)國敏.現(xiàn)代懸索橋[M].北京：人民交通出版社，2001.12

[2]張?zhí)疲苄∪?大跨度橋梁鋼箱梁設(shè)計(jì)要素簡述[J].中外公路，2005，25（4）：139-141

[3]張毅剛，薛素鐸，楊慶山.大跨空間結(jié)構(gòu)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社

[4]戴競.虎門大橋設(shè)計(jì)與施工[J].土木工程學(xué)報(bào)，1997.8，30（4）

[5]王迎軍，朱桂新.虎門大橋工程運(yùn)營狀況簡介[J].廣東公路交通，2000：242-243

作者簡介

王文英（1981-），女，碩士研究生，講師，現(xiàn)任煙臺(tái)南山學(xué)院教師，山東青島膠南。

劉增光（1980-）男，專科，助理工程師。現(xiàn)就職于山東康達(dá)精密機(jī)械有限公司。