大跨徑鋼管混凝土系桿拱橋動力特性分析

宋曉妤

（紹興袍江大橋建設(shè)工程指揮部，浙江紹興 312071）

0 前言

鋼管混凝土系桿拱橋的出現(xiàn)順應(yīng)了拱橋不斷向大跨度、輕型化方向發(fā)展的趨勢。飛燕式系桿拱橋是拱橋中極具特色的一種橋型,由主跨、邊跨、主拱墩及系桿四大部分組成。由于鋼管混凝土拱橋跨度大，質(zhì)量輕，其本身剛度小，同時在設(shè)計中又很少考慮其動力特性，從而給此類拱橋的運(yùn)營帶來安全隱患。目前關(guān)于該類橋型設(shè)計與施工方面的文獻(xiàn)報道已較多,但對成橋后結(jié)構(gòu)自身固有動力特性進(jìn)行分析的文獻(xiàn)還較少。本文以紹興市袍江大橋（五跨飛燕式鋼管混凝土拱橋）為研究對象,通過對成橋模態(tài)試驗，得出其自身的動力特性，并結(jié)合理論計算分析，評定成橋的結(jié)構(gòu)特性和設(shè)計效果。

1 橋梁概述

袍江大橋位于浙江紹興袍江經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)區(qū)，主橋為帶飛燕式邊拱的五跨連拱中承式鋼管混凝土系桿拱橋。跨徑為40 m+3×185 m+40 m，拱軸線形式為二次拋物線，矢跨比為1/4，拱肋截面形式為桁架式。橋面寬45 m，吊桿橫梁通過濕接頭與橋面板聯(lián)成整體，在承受二期恒載和活載時成為鋼混疊合梁。設(shè)計荷載為汽車—超20級，掛車—120，人群活載為4.0 kN/m2。

上下游拱肋位置處各設(shè)6根柔性系桿以平衡拱肋的水平推力。吊桿為可換式雙吊桿。

2 理論計算

2.1 計算模型

根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)形式和受力特點(diǎn)，利用MIDAS/Civil建立橋梁的空間分析模型，如圖1所示。模型中采用梁單元和板單元模擬主拱、邊拱及吊桿橫梁和橋面系；采用只受拉單元模擬吊桿和系桿。在計算中將兩根相鄰的吊桿簡化為一根處理。

2.2 模態(tài)分析

利用MIDAS/Civil軟件模態(tài)分析功能，提取該橋前5階模態(tài)參數(shù)（頻率、振型）。該橋前5階模態(tài)參數(shù)見表1所示，前5階振型如圖2～6所示，包括面外一階對稱模態(tài)、面外一階反對稱模態(tài)、面內(nèi)一階反對稱模態(tài)、面內(nèi)扭振模態(tài)、面內(nèi)一階對稱模態(tài)。

表1 成橋狀態(tài)自振頻率及振型特征(前5階)一覽表

圖2 面外一階對稱振型圖

圖3 面外一階反對稱振型圖

3 脈動試驗

脈動試驗是通過在橋上布置高靈敏度的拾振器，首先記錄橋梁結(jié)構(gòu)在環(huán)境激勵下，如風(fēng)、水流、地脈動等引起的橋梁振動，然后對記錄的振動時程信號進(jìn)行處理，并進(jìn)行時域和頻域分析，求取橋梁的結(jié)構(gòu)自振特性。

通過對采集到的脈動信號進(jìn)行剪切、濾波、加窗、細(xì)化等處理，經(jīng)頻域和時域分析，得到了該橋中跨結(jié)構(gòu)前5階自振頻率和振型。實(shí)測自振頻率列于表2，振型如圖7～圖11所示。

表2 實(shí)測成橋狀態(tài)自振頻率及振型特征(前5階)一覽表

圖7 面外一階對稱模態(tài)

4 面內(nèi)振動特性分析

大跨徑中承式鋼管混凝土拱橋面內(nèi)振動頻率的簡化計算公式如下：

反對稱基頻，對稱基頻：據(jù)簡化計算公式可得該橋面內(nèi)反對稱及對稱頻率分別為0.86 Hz、1.37 Hz。與計算值0.90、1.33較為接近，該橋理論計算頻率較符合實(shí)際。

5 結(jié)論

（1）從各階振型可以看出，飛燕式系桿拱橋的振動主要有拱肋的面外振動、面內(nèi)振動和扭轉(zhuǎn)振動3種形式。

（2）在橋梁的振動中首先出現(xiàn)的是拱肋的面外振動,且面外振動基頻小于面內(nèi)基頻。這是由于鋼管混凝土拱橋拱肋的面外剛度相對較小,而橋梁面內(nèi)、外剛度相差又比較大的緣故。

（3）由于橋面系面外剛度相對較小,而面內(nèi)剛度較大,反映在振型特征上有側(cè)彎變形。飛燕式系桿拱橋的橋面系通過吊桿、系桿與鋼管混凝土拱肋連成了整體結(jié)構(gòu),從振型上可以看出橋面的豎向振動為該橋梁體系的整體豎向振動。

（4）該橋結(jié)構(gòu)各階實(shí)測自振頻率均高于理論計算值，說明成橋結(jié)構(gòu)的動力特性優(yōu)良、整體剛度優(yōu)于設(shè)計值，成橋狀態(tài)滿足設(shè)計要求。

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