邊中跨比對雙塔雙索面混凝土斜拉橋動力特性影響分析

郭攀

摘 要：本文通過ANSYS有限元分析軟件，建立某雙塔雙索面混凝土斜拉橋的空間力學計算模型，利用子空間迭代法分析了不同跨徑比時結構的自振頻率及相應振型特征，得出不同跨徑比對結構自振頻率及振型順序的敏感程度。該結論有利于通過模態參數修正有限元分析模型，對后期調整結構自振頻率及斜拉橋的構造設計具有一定的指導意義。

關鍵詞：雙塔雙索面混凝土斜拉橋；動力特性；邊中跨比；頻率；振型

中圖分類號：U448.27；U441 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）07-0104-02

Influence of Side to Main Span on the Dynamic Characteristic of

Double-cable Plane Prestressing Force Concrete Cable Stayed Bridge

GUO Pan

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： Through the finite element analysis program ANSYS， hree-dimensional finite element models for two pylons cable-stayed bridges are set up. The natural vibration modes and frequencies of the bridge are computed using the subspace iteration method with the influence of parameter changes of ratio of side to main span. The analysis draws the general conclusions on the parametric sensitivity about dynamic characteristics of two pylons cable-stayed bridges. These conclusions are propitious to the modification of finite element models， and also， provide some gist to the concept design and the constitution design.

Keywords： two pylons cable-stayed bridge；dynamic characteristics；ratio of side to main span；frequencies；the natural vibration modes

1 研究背景

某雙塔雙索面混凝土斜拉橋，主跨348m，邊跨174m，橋寬28m，塔高162m，主塔連接橫梁長30m，塔的倒Y分叉點距橋面60m，塔底距橋面30m，塔底橫橋向距離20m。全橋張拉118條索[1]。

本文以結構動力學模態分析方法為基本理論，以ANSYS有限元分析軟件作為計算工具，以斜拉橋三維有限單元模型為研究對象，研究邊中跨比的變化對斜拉橋動力特性的影響，探討斜拉橋頻率、振型及其順序的一般變化規律，有利于依據模態參數修正有限元模型，對今后結構自振頻率的調整及斜拉橋的概念設計及構造設計都具有一定的指導意義。

2 有限元建模

通過ANSYS有限元分析軟件對斜拉橋進行空間離散，將結構用桿、梁、索或其他形態的單元進行模擬。主梁采用單主梁法的空間“魚骨式”模型，將加勁梁的抗彎、抗扭剛度集中在一根縱向的空間桿件上，其質量通過橫向“魚骨”沿空間分布。斜拉索錨固點為梁單元的自然節點。橋塔采用三維梁單元模擬，塔柱的截面變化和索錨固點為梁單元的自然節點。斜拉索采用桿單元模擬。對于邊跨和輔助墩，為簡化起見，用約束代替[2]。

在斜拉橋設計中，除對塔、主梁、斜拉索的構造形式及尺寸的選取外，主要的總體設計參數有主梁的中邊跨跨徑比、高跨比等[3]。這些參數將直接對斜拉橋的結構性能產生影響。此外，約束形式、輔助墩的有無、斜拉索的剛度對結構整體剛度的影響十分顯著。由于本文只是對比分析斜拉橋的動力特性而并非設計，故只考慮了結構的主要設計參數，忽略了與計算無關的構造細節。

如表1所示，以原橋結構參數為基本模型，通過修改邊、中跨的長度得到對比模型。

3 計算結果分析

根據空間結構圖式，利用子空間迭代法計算出成橋狀態的自振頻率及相應振型特征[4]。表2列出了1至25階自振頻率及相應振型特征。

由表2分析可知，隨著邊中跨跨比的降低，結構頻率和陣型有以下特點：①結構的固有頻率表現出降低的趨勢，降幅達63.2%；②塔出現縱飄的頻率降低，降幅達21.3%；③主梁出現橫彎頻率降低，但主梁出現扭轉時的頻率有所提高；④隨著邊中跨跨比的減小，全橋振型仍以低階橫彎振型為主，但高階小范圍內振型順序有變化。

4 結論

本文以結構動力學模態分析方法為基本理論，通過ANSYS有限元分析軟件研究了邊中跨比的變化對斜拉橋動力特性的影響，得到了斜拉橋頻率、振型及其順序的一般變化規律，對今后結構自振頻率的調整及斜拉橋的概念設計及構造設計都具有一定的指導意義，對了解斜拉橋的動力性能有著重要參考價值。計算結果可為該類型橋梁的設計、施工以及使用階段的健康檢測和維護提供技術參數和依據。

參考文獻：

[1]康俊濤，胡杰，董培東，等.三塔自錨式懸索橋動力特性參數影響分析[J].武漢理工大學學報（交通科學與工程版），2017（4）：543-548.

[2]程曉春，鐘元.某斜拉-自錨懸索組合體系橋梁力學特性分析[J].公路交通科技（應用技術版），2017（7）：224-226.

[3]王浩，楊敏，陶天友，等.大跨度四塔懸索橋動力特性參數敏感性分析[J].東南大學學報（自然科學版），2016（3）：559-564.

[4]張文明，葛耀君.三塔雙主跨懸索橋動力特性精細化分析[J].中國公路學報，2014（2）：70-76.