無支座簡支轉連續梁橋動力特性分析

郭志豪 李之達 石 彬 王 戈

(1.武漢理工大學交通學院 武漢 430063; 2.河南省交通規劃設計研究院股份有限公司 鄭州 450000)

隨著我國交通事業的蓬勃發展，橋梁越來越多地被用在公路建設中。由于簡支梁伸縮縫多，無法滿足車輛的高速行駛要求，連續現澆梁施工工藝復雜、工期長、造價高等因素使發展前景受限。人們便將簡支梁與連續梁的優越性能結合在一起，在預制場將簡支梁批量預制，架設就位后在端部后澆混凝土形成連續結構[1]。這種先簡支后連續梁梁以配筋少、外形美觀、伸縮縫少、行車舒適等優點，在橋梁建設中得到越來越廣泛的應用。

簡支轉連續梁橋，按橋墩支座的有無分為有支座和無支座連續梁橋。有支座連續梁橋結構受力明確，但需支座轉換，施工工藝復雜，濕接縫處剪力大。無支座簡支轉連續梁橋是邊墩設置橡膠支座，中墩處通過墩頂的濕接縫將簡支小箱梁與蓋梁固結起來；無支座連續梁橋無需更換支座，施工方便，連續處開裂后修補容易，濕接縫處剪力較小[2-3]。但無支座簡支轉連續梁橋連接處受力復雜，其模態響應也與有支座連續梁橋有區別，為了進一步分析有無支座簡支轉連續梁橋模態響應的區別，對工程中的無支座簡支轉連續梁橋進行數值分析，對以后無支座簡支轉連續梁橋發展具有一定價值。

1 工程概況

本文選用某長江大橋的一聯五跨預制小箱梁引橋特大橋作為工程依托。長江南岸引橋特大橋第二聯為5×30 m預制連續小箱梁。全橋采用雙幅設計，橋面寬度為2×凈11.75 m+0.5 m(中央分隔帶)。單幅橋由4片預制小箱梁通過濕接縫連接而成，橋面層包括8 cm厚C50混凝土現澆層和10 cm厚瀝青鋪裝；中墩處通過濕接縫將小箱梁與蓋梁固結起來；墩柱采用柱式橋墩，橋臺為樁柱式臺。橋梁主要技術指標為：行車道數為雙向4車道，公路等級為高速公路，設計車速100 km/h，公路一級，設計洪水頻率為特大橋1/300，地震烈度為動峰加速度0.05g。橋梁上部結構現場見圖1。

圖1 橋梁上部結構現場圖

2 有限元模型

運用midas Civil有限元軟件，對模型進行模態分析。對無支座連續梁橋，在蓋梁與小箱梁連接處設置彈性連接模擬方式，并于單支座同種模擬方式對比。本次計算使用空間梁格法，由于鋼筋及預應力對模態分析影響較小，為了簡化模型方便計算，建模時未考慮鋼筋及預應力作用[4-5]。全橋一共5跨，梁格模型共建立1 373個節點，1 324個單元。全橋模態計算模型見圖2。

圖2 全橋模態計算模型

3 邊界條件的模擬

對于彈性支座模型，橋梁墩柱與土壤的下部邊界模擬為固定支座，蓋梁與墩柱的連接為彈性連接中的剛性連接[6]；全橋支座設置為彈性連接中的一般連接，一般連接中將x，y，z方向的剛度及z軸的轉動剛度設為無限大，其中無支座模型設置3排一般連接，有支座模型設置1排一般連接。具體布置見圖3。

圖3 彈性支座模型局部邊界條件

4 模型計算結果

采用子空間迭代法，分別對2種模型進行模態分析，取2種模型的前5階自振頻率進行比較，以下列出2種模型的模態計算結果，見表1。2種模型的前5階振型見圖4。

表1 前5階自振頻率對比

圖4 2種模型前5階振型圖

由以上結果可見，無支座簡支轉連續梁橋的每階自振頻率都比有支座的稍大，這是由于去除支座后，預制小箱梁直接與蓋梁固結，使橋梁整體的剛度增大，因此，橋梁自振頻率增大；無支座第一階自振頻率比有支座第一階自振頻率高13.32%，隨著自振頻率階數增大，無支座自振頻率與有支座自振頻率差別逐漸縮小，說明有無支座在低頻影響較大，在高頻影響很小。

5 現場試驗

現場脈動實驗是在橋面無車輛荷載情況下，測量外界各種因素所引起的橋梁微小且不規則的振動，然后進行譜分析，最終得到橋梁結構的基頻，本次試驗主要測定橋梁的第一階自振頻率。

主橋測點布置為：于每跨4等分點處各布置1個豎向拾振器，拾振器布置見圖5。

圖5 脈動拾振器縱向布置圖

經現場實驗后，對振動信號進行頻譜分析，得出圖6所示頻譜，由頻譜圖可得出該橋實測第一階固頻為3.906 Hz，與計算第一階固頻3.921 6 Hz接近，體現對該橋有限元模擬的正確性，同時也表明該無支座簡支轉連續梁橋的剛度滿足設計要求，橋梁的整體性良好。

圖6 脈動測試頻譜分析

6 結論

1) 無支座簡支轉連續梁橋的自振頻率比有支座的稍大。

2) 在低頻階段，有無支座對自振頻率的影響較大，隨著階數的提高，有無支座對自振頻率的影響逐漸減小。

3) 通過現場實驗驗證，實測結果與計算值有良好的吻合性，橋梁剛度滿足設計要求。