下承式鋼管混凝土系桿拱橋吊桿斷裂動力性能分析

羅聰輝

（廣東佛盈匯建工程管理有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

下承式鋼管混凝土系桿拱橋以拱肋、吊桿、系桿及橋面系組成的組合結構橋梁，是一種外部靜定、內部超靜定的特殊結構，具有受力合理、造型美觀、地基適應能力強、跨越能力大的特點[1]。吊桿在下承式鋼管混凝土系桿拱橋中占有舉足輕重的位置，如四川、福建等地就發生過吊桿斷裂導致拱橋發生不同程度破壞的案例。陳舟等[2]通過有限元軟件建立提籃拱橋的空間模型，分析結構前六級自振頻率以及鋼管直徑、壁厚的改變對結構自振頻率的影響。吳慶雄等[3]通過有限元軟件模擬鋼管混凝土拱橋，討論主拱跨徑、主拱截面及主梁結構等方面拱橋面內振動模態的特性。劉伯棟[4]等通過有限元軟件對鋼管混凝土拱橋進行自振特性的分析，比較全面地反映了結構的振型。吊桿是拱橋中受外界影響比較大的構件，在遭遇突發情況（如撞擊）、疲勞損傷及銹蝕等情況下，容易出現吊桿斷裂現象，可能導致拱橋不同程度的破壞[5]。下承式鋼管混凝土拱橋短吊桿處變形適應能力小，反復的變形增加了短吊桿的疲勞，容易導致短吊桿的斷裂[6]。吳慶雄等[7]通過接觸碰撞的方式模擬吊桿斷裂，分析拱橋各構件在吊桿斷裂前后的變化及吊桿斷裂引起的結構動力響應。

本文以跨徑為80 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為例，采用MIDAS/Civil有限元軟件建立空間模型進行分析，得到橋梁的自振頻率，并討論不同吊桿斷裂情況下對拱橋結構自振特性的影響。

1 工程實例

某下承式鋼管混凝土系桿拱橋梁體全長83.2 m，橋面總寬15.5 m，拱角附近加寬至16.9 m。跨中縱梁高度2.4 m，設雙線鐵路，擋碴墻內側凈寬為9.0 m。主跨為83 m的鋼筋混凝土簡支拱，主拱計算跨度80 m，矢跨比1/5，拱肋軸線為二次拋物線。此80 m雙線簡支組合拱梁兩側分別為32.6m簡支梁和16.6m簡支梁，兩拱肋之間共設3道橫撐。主梁及拱腳混凝土強度等級為C50，拱腳鋼混過渡段中采用強度等級為C50自密實混凝土，封端采用強度等級為C50的補償收縮混凝土。縱向預應力體系：預應力鋼絞線采用1X7-15.2-1860預應力鋼絞線，后張法，錨群體系，屬波紋管管道，吊索采用型號PES7-121-φ7低應力防腐索體鋼絲。主拱橫撐的材質一般地區選用Q345qD鋼材，吊桿套筒選用Q345B鋼材，其他輔助材料選用Q235C鋼材，支座采用橋梁球型鋼支座。橋梁立面見圖1；吊桿編號從左到右依次增大，見圖2。

2 有限元建模

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立空間模型（見圖3），其中吊桿采用僅受拉桁架單元模擬，其余 構件采用梁單元模擬，全橋受拉桁架單元22個，梁單元305個，節點259個。

圖1 橋梁立面圖（單位:mm）

圖2 吊桿編號圖

圖3 全橋模型

3 動力特性分析

通過建立不同施工階段模擬吊桿斷裂的情況，采用Lanczos方法、振型設置為6階提取模態。由于篇幅原因，這里僅展示吊桿未斷裂和6號吊桿斷裂工況下的模態圖。

（1）由表1可以看出吊桿未斷裂的振型特點，隨著自振頻率的增大，結構變形比較復雜，由簡單的彎曲到彎曲加扭轉，變形先主梁后拱肋，先橫向后豎向；不同工況下結構自振頻率見表2。

表1 吊桿未斷裂前結構自振頻率

（2）由圖4～圖15可以看出吊桿未斷裂的模態與吊桿斷裂的模態沒有差別；

圖4 吊桿未斷裂一階模態

圖5 吊桿斷裂一階模態

圖6 吊桿未斷裂二階模態

表2 不同工況下結構自振頻率

圖7 吊桿斷裂二階模態

圖8 吊桿未斷裂三階模態

圖9 吊桿斷裂三階模態

圖10 吊桿未斷裂四階模態

圖11 吊桿斷裂四階模態

圖12 吊桿未斷裂五階模態

圖13 吊桿斷裂五階模態

圖14 吊桿未斷裂六階模態

圖15 吊桿斷裂六階模態

（3）由圖16可以看出不同工況下結構自振頻率的變化，每個工況的自振頻率相差較小，只有每個工況下自振頻率變化不大，說明吊桿斷裂對主梁豎向剛度影響不明顯；

圖16 同階次不同工況下結構自振頻率

圖17 不同工況下同階次結構自振頻率

（4）由圖17可以看出結構的自振頻率隨著斷裂吊桿長度的增長而減小。

4 結語

本文以跨徑為80 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為例，利用模型計算出不同工況下的六階自振頻率，通過對比分析得出，不同吊桿斷裂對結構模態的影響較小，對主梁豎向剛度影響比較明顯，且結構的自振頻率隨著斷裂吊桿的增長而減小。

[1]徐 岳,朱紅亮,陳萬春,等.鋼管混凝土系桿拱橋[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2017.

[2]陳舟,高永輝,顏全勝,等.客運專線提籃拱橋動力性能分析[J].科學技術與工程,2011,11（1）:201-204.

[3]吳慶雄,黃宛昆,陳寶春.中、下承式鋼管混凝土拱橋面內振動模態分析[J].工程力學,2012,29（11）:221-227.

[4]劉伯棟,張觀眾.下承式鋼管混凝土拱橋自振特性研究[J].水利與建筑工程學報,2011,9（4）:133-137.

[5]郭志良.拱橋吊桿斷裂過程及對策研究[D].福建福州:福州大學,2010.

[6]田春艷,劉勇,靳璞.下承式鋼管混凝土拱橋吊桿索力測試及分析[A].工程質量學術交流會[C].2012,107-112.

[7]吳慶雄,余印根,陳寶春.下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋吊桿斷裂動力分析[J].振動與沖擊,2014,33（15）:144-149.