部分主要構(gòu)造對(duì)斜拉橋自振特性的影響分析

薛家偉 文坡 董世賦

摘 要：斜拉橋的動(dòng)力特性分析是研究斜拉橋動(dòng)力行為的基礎(chǔ)，本文以全福河大橋?yàn)楸尘埃褂肁NSYS軟件建立了空間有限元模型，詳細(xì)分析了索塔單元?jiǎng)澐帧⑤o助墩、邊界約束條件對(duì)斜拉橋自振特性的影響。

關(guān)鍵詞：斜拉橋;自振特性;有限元法

中圖分類號(hào)：U448 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

斜拉橋的動(dòng)力特性分析是研究斜拉橋動(dòng)力行為的基礎(chǔ)，其自振特性決定其動(dòng)力反應(yīng)特性，分析斜拉橋自振特性意義重大。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性取決于結(jié)構(gòu)的組成體系、剛度、質(zhì)量和支承條件等。因此建立理想的大跨度斜拉橋動(dòng)力分析模型，并進(jìn)行自由振動(dòng)分析，掌握其動(dòng)力特性，具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 橋梁概況

全福河大橋跨徑組合為156.5+324+156.5 m，上塔、中塔、下塔柱高分別為52.832 m、41.118 m、25 m。設(shè)計(jì)行車速度60 km/h;設(shè)計(jì)荷載為公路-Ⅰ級(jí);設(shè)計(jì)洪水頻率為1/300;通航等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

2 有限元模型

大跨度斜拉橋的斜拉索在主梁上錨固點(diǎn)一般不會(huì)通過(guò)主梁扭轉(zhuǎn)形心，當(dāng)考慮斜拉橋同時(shí)受到多個(gè)方向的荷載時(shí)，一般需進(jìn)行空間分析。本文將斜拉橋結(jié)構(gòu)離散為桿、梁?jiǎn)卧Ｐ秃退髂ぁ⒘簡(jiǎn)卧Ｐ蛢煞N模型。

3 斜拉橋部分主要構(gòu)造對(duì)自振特性的影響分析

3.1 索塔單元?jiǎng)澐謱?duì)斜拉橋自振特性的影響

現(xiàn)對(duì)塔的模型劃分粗細(xì)兩種進(jìn)行自振頻率比較，第一種情況把單個(gè)主塔劃分為87個(gè)單元，所用模型是基本模型1;第二種情況把每個(gè)索塔劃分64個(gè)單元，采用的模型稱為模型1-1。兩種情況的振型和頻率見(jiàn)表1。

從上表比較可見(jiàn)，兩者振型出現(xiàn)順序相同，但模型1-1較基本模型1的各階頻率要稍小，表明基本模型結(jié)構(gòu)堆聚質(zhì)量分配和節(jié)點(diǎn)位移更合理，計(jì)算結(jié)果更精確。也可從各階頻率數(shù)值可見(jiàn)，兩者在橋梁結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)時(shí)影響差異不大，平時(shí)在動(dòng)力特性計(jì)算時(shí)可以忽略這部分的影響。但有關(guān)文獻(xiàn)提到，索塔單元?jiǎng)澐值么謱?duì)塔中間單元彎矩的分布影響較大，因此建議對(duì)塔單元的劃分不宜太粗。

3.2 輔助墩對(duì)斜拉橋自振特性的影響

全福河大橋在邊跨接近交界墩處各設(shè)計(jì)了一座輔助墩，現(xiàn)分析輔助墩的有無(wú)對(duì)橋梁自振特性的影響。在無(wú)輔助墩情況下的模型稱為模型1-2，其與基本模型1的振型和頻率比較見(jiàn)表2。

從表中可見(jiàn)，有無(wú)輔助墩對(duì)斜拉橋各振型的序列、對(duì)應(yīng)振型的頻率值均有影響。模型1-2各階振型頻率較基本模型1幾乎都有所降低，這表明輔助墩對(duì)斜拉橋的自由振動(dòng)影響較大。另外，模型1-2的豎向振幅比基本模型1大，豎向振動(dòng)較基本模型提前兩階出現(xiàn)，可見(jiàn)輔助墩對(duì)斜拉橋豎向剛度提高具有顯著影響。

3.3 邊界約束條件對(duì)斜拉橋自振特性的影響

分兩種情況分析約束條件對(duì)斜拉橋自振特性的影響：一種模型在主梁的一端設(shè)置一縱向約束，限制主橋的縱向位移，為模型1-3;另一種模型采用上述的基本模型1。兩者計(jì)算所得的振型和頻率比較見(jiàn)表3。

由上表可見(jiàn)，由于主橋縱向位移受到限制，斜拉橋第一階振動(dòng)為主梁對(duì)稱橫向彎曲，基頻0.790 5 Hz，大于模型1的基頻0.480 15。而對(duì)于基本模型1，由于縱向主橋位移約束解除，橋面的第一階振動(dòng)為縱向飄浮，斜拉橋結(jié)構(gòu)的基頻降低，地震反應(yīng)隨之減小。從上表還可以看出，兩種情況下斜拉橋的橫彎和豎彎、扭轉(zhuǎn)基頻幾乎相同，可知，限制橋梁縱向位移對(duì)斜拉橋橫向、豎向及扭轉(zhuǎn)剛度影響不大，橋梁抗震性能得到一定改善。

4 結(jié)論

（1）索塔單元?jiǎng)澐值拇旨?xì)程度對(duì)斜拉橋自振頻率影響不大，但對(duì)靜載計(jì)算過(guò)程中索塔單元彎矩影響較大，建議不宜劃分太粗。

（2）輔助墩對(duì)斜拉橋豎向自由振動(dòng)影響明顯，使斜拉橋豎向剛度明顯提高。

（3）解除縱向約束的全飄浮體系斜拉橋，第一階振動(dòng)由橫向?qū)ΨQ彎曲變?yōu)榭v向飄浮，該橋基頻也由0.790 5變?yōu)?.480 15，橋梁抗震性能得到了較大改善。

參考文獻(xiàn)：

[1]易日.使用ANSYS6.1進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析[M].北京大學(xué)出版社，2002.

[2]姚令森.橋梁工程[M].人民交通出版社，1999.