大跨度懸索橋結構的合理性研究

王文英++劉增光

摘 要：以珠江虎門大橋為例，基于結構模態分析，對結構合理性作了初步研究，探討了結構尺寸、支撐位置對結構模態的影響規律。通過改變加勁梁截面形狀與主塔支撐位置，定性地分析其與結構模態參數之間的關系，具有一定的工程指導意義。

關鍵詞：虎門大橋；模態分析；結構合理性

虎門大橋為單跨雙鉸加勁梁，其結構特性主要包括：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，有利于風動穩定，但是高度太小會導致加勁梁的抗扭剛度削弱太多，導致結構在同樣的載荷下產生更大的變形，此外還容易導致渦振和抖振的發生產生結構疲勞。所以選定加勁梁結構的合理形狀極為重要，它是結構優化設計中的重點和難點。

1 懸索橋有限元模型的建立

懸索橋結構主要包括主纜、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4年7個月，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。實物模型向有限元模型轉換時，需在結構、載荷等方面進行模型化處理，盡可能使兩者的力學性能一致。有限元建模時，首先分別建立懸索橋各構成部分的有限元模型，主要包含懸索、吊桿、然后根據各部分之間的約束關系建立整橋的模型。對于加勁梁，由于其實際結構非常復雜，有限元模型可能會因節點過多而難以分析，因此采取整體彎曲、扭轉剛度與原始加勁梁等效的原則對其進行簡化。根據各部分的結構特點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，最后通過節點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、總體質量、橫截面面積的情況下，計算分析不同寬度下，其結構模態參數的變化規律。設加勁梁原始寬度為B，分別計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時的頻率，其結果見表1。

從表1我們可以得到以下的結論：隨著寬度的改變，豎彎振型所對應的頻率變化幅度并不很明顯，但是側彎振型所對應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進行模態分析，得到的分析結果可以給設計者提供一定的參考價值。

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，加勁梁模態頻率見表2。

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

總之，加勁梁的寬度對加勁梁的側彎頻率有顯著的影響，而對豎彎模態雖然有一定的影響，但是程度不大；當改變加勁梁支撐點位置時，振型沒有發生變化，頻率變化隨著移動尺寸的增大越來越明顯，可以結合當地的地理環境，選擇合適的支撐位置。

參考文獻

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作者簡介

王文英（1981-），女，碩士研究生，講師，現任煙臺南山學院教師，山東青島膠南。

劉增光（1980-）男，專科，助理工程師。現就職于山東康達精密機械有限公司。