V形剛構(gòu)拱組合橋動(dòng)力特性分析

張祥彬

(南昌鐵路局工務(wù)處,江西南昌 330000)

1 工程概述

新建鐵路廣州至珠海(含中山至江門)城際快速軌道交通工程小欖水道特大橋全長(zhǎng)7686.57m,主跨采用100+220+100mV形剛構(gòu)拱組合橋,是國(guó)內(nèi)客運(yùn)專線鐵路首次采用的結(jié)構(gòu)形式,為國(guó)內(nèi)同類型橋梁最大跨度[1]。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 小欖水道特大橋主橋總體布置(單位:cm)

小欖水道特大橋主橋V形墩外側(cè)斜腿與水平面的夾角為34.6°,內(nèi)側(cè)斜腿與水平面的夾角為46.4°,均采用單箱雙室箱形截面。主梁采用單箱雙室截面,頂板厚度為42cm,橋面寬度為11.6m,底板寬10.0 m。V形墩支點(diǎn)處梁高采用7.8m,主跨跨中和邊跨支座處梁高3.8m,V構(gòu)內(nèi)部最小梁高采用4.8m。其中,V形墩及基礎(chǔ)采用C40混凝土,主梁采用C60混凝土。

拱肋采用N形桁架,上、下弦管采用直徑900mm的鋼管混凝土結(jié)構(gòu);腹桿采用直徑600mm的空鋼管。拱肋中心橫向間距12.2m,拱肋的計(jì)算跨徑L=160 m,月牙形鋼管混凝土拱下弦鋼管矢高35m,上弦鋼管矢高40m。兩榀拱肋之間共設(shè)7道橫撐,均由空鋼管組成。吊桿順橋向間距為9m,全橋共設(shè)15對(duì)吊桿。小欖水道特大橋采用“先梁后拱”的施工方案,即先施工V形連續(xù)剛構(gòu),然后在梁上搭設(shè)支架,安裝拱肋及吊桿。

V形剛構(gòu)拱組合橋利用V形剛構(gòu)的主跨斜腿與鋼管混凝土拱的拱座連接形成,具有拱和V形連續(xù)剛構(gòu)共同受力的特點(diǎn),其結(jié)構(gòu)性能已不同于一般的梁拱組合體系橋[2-3]。從結(jié)構(gòu)形式來(lái)看,其上部結(jié)構(gòu)以V形墩連續(xù)剛構(gòu)為主體,配以鋼管混凝土拱肋進(jìn)行加勁,起到了減小主梁梁高、控制跨中下?lián)弦约叭趸咚傩熊嚂r(shí)橋梁振動(dòng)的作用。

2 有限元分析模型

有限元分析模型采用大型通用有限元程序MIDAS/CIVIL軟件建立,根據(jù)不同構(gòu)件的受力特點(diǎn),采用不同單元類型來(lái)模擬不同構(gòu)件,同時(shí)根據(jù)橋梁的實(shí)際情況,合理處理各構(gòu)件之間的連接情況和邊界約束情況,形成統(tǒng)一的全橋分析模型。各構(gòu)件模擬描述如下:

(1)V形墩預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)采用三維梁?jiǎn)卧M,其變截面形式采用實(shí)際結(jié)構(gòu)的截面大小。

(2)N形桁架鋼管混凝土拱采用三維梁?jiǎn)卧M合截面模擬,吊桿采用只受拉索單元模擬,考慮桁架鋼管混凝土拱肋的空間效應(yīng)。

(3)為合理模擬吊桿下端與主梁的連接情況,在每個(gè)吊桿下端對(duì)應(yīng)的主梁節(jié)點(diǎn)處向外伸出一個(gè)剛度很大的剛性橫梁,并將剛性橫梁外端節(jié)點(diǎn)與吊桿下端節(jié)點(diǎn)的豎向自由度耦合。

(4)考慮到橋面道砟及其他附屬結(jié)構(gòu)不參與結(jié)構(gòu)承力,但卻影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性,將這一部分荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量均勻分布到主梁節(jié)點(diǎn)上。

(5)V形墩的上端與主梁的連接點(diǎn)以及拱腳下端與主梁之間的連接點(diǎn)均通過(guò)建立剛性連接進(jìn)行模擬。

(6)小欖橋橋址處場(chǎng)地土第四系沉積物厚達(dá)40～60m,工程地質(zhì)條件較差。有限元建模中考慮了樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)地震反應(yīng)的影響,地基對(duì)樁基的作用采用節(jié)點(diǎn)彈性約束模擬。

(7)全橋兩端的支座采用釋放水平約束的活動(dòng)支座模擬,樁基底部采用固結(jié)約束模擬。

(8)空間有限元模型坐標(biāo)系為:X方向?yàn)闃蚩缈v向,Y方向?yàn)闄M向,Z方向?yàn)樨Q向。

圖2為空間有限元模型的離散單元。本模型共劃分單元718個(gè),其中空間梁?jiǎn)卧?88個(gè),只受拉索單元30個(gè),共有節(jié)點(diǎn)453個(gè)。

圖2 小欖水道特大橋空間有限元模型離散單元

3 自振特性分析結(jié)果

橋梁自振特性包括結(jié)構(gòu)的自振頻率、振型和阻尼比等參數(shù),反映出結(jié)構(gòu)的剛度指標(biāo)。這里采用子空間迭代法求解橋梁空間自振特性。一般情況下,結(jié)構(gòu)的低階自振頻率和振型對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性起控制作用,這里僅給出橋梁結(jié)構(gòu)的前10階自振特性的計(jì)算結(jié)果,見(jiàn)表1。限于篇幅,本文只給出前4階振型,見(jiàn)圖3至圖6所示。

表1 小欖水道特大橋前10階自振頻率計(jì)算結(jié)果

圖3 第1振型(俯視)f=0.493Hz

圖4 第2振型(俯視)f=0.854Hz

圖5 第3振型(俯視)f=0.979Hz

圖6 第4振型(正視)f=1.058Hz

小欖水道特大橋自振特性分析結(jié)果表明:

①拱肋橫向基頻為0.493Hz,梁拱組合橫向基頻為0.854Hz,梁拱組合豎向基頻為1.029Hz。

②拱肋的一階振型周期為2.028s,比一般單孔剛性結(jié)構(gòu)0.3～0.4s的基本振動(dòng)周期大得多,這說(shuō)明V形剛構(gòu)上部的鋼管混凝土拱肋屬于柔性結(jié)構(gòu)。

③第一階振型為拱的對(duì)稱橫向側(cè)彎,表明拱的面內(nèi)剛度大于面外剛度。這是因?yàn)楣暗拿鎯?nèi)振動(dòng)要引起主梁的振動(dòng),所以阻力大、頻率高,面內(nèi)振型出現(xiàn)晚于面外振型。

④V形剛構(gòu)與拱組合橋拱肋的面外基頻比面內(nèi)基頻低,說(shuō)明該類橋梁拱肋的橫向剛度比較小,因此V形剛構(gòu)與拱組合橋拱肋的橫向穩(wěn)定性問(wèn)題不容忽視。

⑤由于拱肋和主梁的重力方向一致,所以對(duì)于面內(nèi)振型,二者的振動(dòng)基本同步。在面內(nèi)振型中沒(méi)有出現(xiàn)主梁振動(dòng)而拱肋不振動(dòng)或者拱肋振動(dòng)而主梁不振動(dòng)的情況。

4 二期恒載對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響

對(duì)于鐵路橋梁而言,其二期恒載比較大,本橋二期恒載為160kN/m。在進(jìn)行靜力計(jì)算時(shí),二期恒載僅作為外荷載施加到結(jié)構(gòu)上。但是在進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算分析時(shí),二期恒載只提供質(zhì)量,而不產(chǎn)生結(jié)構(gòu)剛度。因此二期恒載將對(duì)結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性產(chǎn)生較大的影響。

表2 同一振型特征下考慮和不考慮二期恒載時(shí)的頻率比較

經(jīng)過(guò)計(jì)算,將同一振型特征下考慮和不考慮二期恒載的結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率列示在表2中。從表2中可以看出,考慮二期恒載的影響后,在拱肋獨(dú)立側(cè)彎振型中,拱肋自振頻率有微小的增大,增幅約1%～4%;主梁和拱肋同時(shí)參與的振型中,組合結(jié)構(gòu)自振頻率減小,減小幅度約8%～14%。二期恒載的考慮與否將使結(jié)構(gòu)振型順序發(fā)生變化。分析認(rèn)為,由于二期恒載增加了主梁的質(zhì)量,而剛度并沒(méi)有增加,所以有主梁參與的各個(gè)振型的自振頻率降低。而拱肋獨(dú)立振動(dòng)的振型均屬于側(cè)彎振型,且拱肋拱腳固結(jié)在主梁之上,主梁質(zhì)量增加對(duì)拱肋質(zhì)量沒(méi)有任何影響,反而相當(dāng)于加強(qiáng)了拱腳在主梁上的約束,所以拱肋獨(dú)立側(cè)彎振型的振動(dòng)頻率反而有微小的增加。

5 樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響

樁基是建于軟弱土層中的橋梁最常用的基礎(chǔ)形式。樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用使結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性、阻尼以及地震反應(yīng)發(fā)生改變,而忽略這種改變并不總是偏安全的。一般情況下,樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用會(huì)對(duì)斜拉橋、懸索橋等這樣一類具有高聳塔墩的橋梁動(dòng)力特性影響較大[4-5],那么樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)于小欖水道特大橋,這樣一座V形剛構(gòu)與拱的組合體系橋的動(dòng)力特性有多大影響,本文進(jìn)行了比較分析。

表3 相同振型特征下考慮和不考慮樁-土-結(jié)構(gòu)作用時(shí)的頻率比較

考慮與不考慮樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用兩種情況下小欖水道特大橋橋的自振頻率及振型對(duì)比見(jiàn)表3。從表3中可以看出,由于樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響,拱肋的橫向振動(dòng)基頻減小約3%,梁拱組合橫向基頻減小約13%,但是梁拱組合豎向基頻增大約15%。同時(shí),結(jié)構(gòu)的振型順序也會(huì)發(fā)生很大的變化。

6 結(jié)論

通過(guò)建立空間桿系有限元模型,分析了大跨度V形剛構(gòu)拱組合橋的動(dòng)力特性,研究了二期恒載和樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響。得出以下結(jié)論:

(1)拱肋的一階振型周期為2.028s,比一般單孔剛性結(jié)構(gòu)0.3～0.4s的基本振動(dòng)周期大得多,這說(shuō)明V形剛構(gòu)上部的鋼管混凝土拱肋屬于柔性結(jié)構(gòu)。

(2)第一階振型為拱的對(duì)稱橫向側(cè)彎,表明拱的面內(nèi)剛度大于面外剛度。這是因?yàn)楣暗拿鎯?nèi)振動(dòng)要引起主梁的振動(dòng),所以阻力大、頻率高,面內(nèi)振型出現(xiàn)晚于面外振型。

(3)考慮二期恒載的影響后,在拱肋獨(dú)立側(cè)彎振型中,拱肋自振頻率有微小的增大,增幅約1%～4%;主梁和拱肋同時(shí)參與的振型中,組合結(jié)構(gòu)自振頻率減小,減小幅度約8%～14%。二期恒載的考慮與否會(huì)使結(jié)構(gòu)振型順序發(fā)生變化。

(4)由于樁-土-結(jié)構(gòu)相互作用的影響,拱肋的橫向振動(dòng)基頻減小約3%,梁拱組合橫向基頻減小約13%,但是梁拱組合豎向基頻增大約15%。同時(shí),結(jié)構(gòu)的振型順序也會(huì)發(fā)生很大的變化。

[1]孫樹(shù)禮.連續(xù)梁拱組合橋梁設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)對(duì)策研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2005(5)

[2]羅世東,嚴(yán)愛(ài)國(guó),劉振標(biāo).大跨度連續(xù)剛構(gòu)柔性拱組合橋式研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào),2004(2)

[3]劉巍,周志宏,湯湘中.鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性分析[J].山西科技,2008(1)

[4]吳定俊,王小松,項(xiàng)海帆.高速鐵路尼爾森拱橋車橋動(dòng)力特性[J].鐵道學(xué)報(bào),2003(3)