矮塔斜拉橋動力特性分析★

李 巍 石振武 姜洪偉 王立峰

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江省公路勘察設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

矮塔斜拉橋動力特性分析★

李 巍1，2石振武1姜洪偉1王立峰1

(1.東北林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040； 2.黑龍江省公路勘察設(shè)計院，黑龍江 哈爾濱 150080)

以安邦河斜拉橋?yàn)楸尘?，借助有限元分析軟件Midas/Civil，采用子空間迭代法對其進(jìn)行了計算，得出了該橋的自振特性，計算結(jié)果可為該橋后期運(yùn)營過程中的健康檢測與維修提供參考，同時，為進(jìn)一步認(rèn)識矮塔斜拉橋的動力性能起參考作用。

矮塔斜拉橋，有限元，自振特性，動力性能

0 引言

矮塔斜拉橋，既有連續(xù)梁(連續(xù)剛構(gòu))的“剛”，又有斜拉橋的“柔”，兼有兩種橋型的優(yōu)勢，是近幾十年來興起的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)[1-3]。與其他橋型一樣，矮塔斜拉橋的抗震、抗風(fēng)與車—橋振動等也成為設(shè)計中需要控制的關(guān)鍵問題[4]。結(jié)構(gòu)的動力特性是其自身所固有的，是這些分析的基礎(chǔ)。以安邦河斜拉橋?yàn)槔?，進(jìn)一步分析矮塔斜拉橋的動力特性，為同類橋梁提供參考。

1 工程概況

1.1 主梁

安邦河斜拉橋?yàn)閱嗡髅骖A(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，全長145 m，跨徑布置為2×70 m，塔梁墩固結(jié)，橋型布置見圖1。主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土現(xiàn)澆箱梁，標(biāo)準(zhǔn)斷面為單箱五室，箱內(nèi)采用直腹板，標(biāo)準(zhǔn)斷面見圖2。

1.2 主塔

主塔順橋向采用鉆石形，橫橋向采用獨(dú)柱式，橋面以上高度為38.5 m，為實(shí)心矩形截面，整體布置在中央分隔帶上，在塔身上設(shè)置分絲管鞍座，用于放置斜拉索。斜拉索在橫橋向按雙排布置，故分絲管的鞍座亦設(shè)置成雙排。

1.3 斜拉索

斜拉索采用鋼絞線索，每根拉索由34根環(huán)氧鋼絞線組成。斜拉索采用雙排單索面形式，通過塔頂?shù)姆纸z管，兩側(cè)對稱錨固于主梁頂板上，與主梁連接位置布置在中央分隔帶上。索塔上采用1.5 m和1.8 m兩種索距，而主梁上的索距設(shè)置為6.0 m。

1.4 下部結(jié)構(gòu)

主塔墩身采用矩形實(shí)體墩，承臺采用分離式承臺，每個承臺下接4 根直徑為2.0 m的鉆孔灌注樁，橋臺采用U型橋臺，樁徑為1.5 m，均按摩擦樁設(shè)計。

2 有限元模型的建立

運(yùn)用有限元分析軟件Midas/Civil建立安邦河斜拉橋的動力分析模型，全橋共240個單元和270個節(jié)點(diǎn)，主梁、主塔、樁基采用梁單元，拉索采用等效的桁架單元，索與梁、塔間的連接采用剛性連接，樁土相互作用采用節(jié)點(diǎn)彈性支撐，利用等代彈簧的剛度表示土的參數(shù)m值[5-7]，m值根據(jù)JTG D63—2007公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范附錄P的規(guī)定選取。由于結(jié)構(gòu)的自振特性與其自身的質(zhì)量、剛度相關(guān)，故模型中將自重、二期鋪裝、橫隔板重等轉(zhuǎn)化為質(zhì)量。安邦河斜拉橋動力分析模型見圖3。

3 結(jié)構(gòu)動力特性分析

借助Midas/Civil有限元軟件，采用子空間迭代法對安邦河斜拉橋的動力特性進(jìn)行計算，得出前10階的振動結(jié)果見表1，振型圖見圖4。

表1 安邦河斜拉橋動力特性計算結(jié)果

橋梁結(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量和剛度決定了其動力特性，根據(jù)表1和圖4可以看出以下特點(diǎn)：

1)該橋的基本周期為1.203 s，屬于矮塔斜拉橋中振動周期較短的一類，這與結(jié)構(gòu)剛度大有關(guān)，同時地基情況對其也有較大影響。

2)主塔橫彎與主梁豎彎是該橋在低階振型中的主要振動形式，表明該橋的橫向抗扭剛度較強(qiáng)，與主梁截面較寬有關(guān)。

3)該橋主梁在第3振型中出現(xiàn)縱飄，發(fā)生時間較早，主塔產(chǎn)生縱向彎曲，表明該橋所采用的雙實(shí)體墩的抗水平側(cè)移剛度較小。

4)在前10階振型中，該橋出現(xiàn)多次主塔彎曲振型，斜拉索索面擺動突出，振幅大小有所區(qū)別，表明主塔的剛度較小。

4 結(jié)語

結(jié)合矮塔斜拉橋的受力特點(diǎn)，利用Midas/Civil建立安邦河斜拉橋有限元模型，對其進(jìn)行了動力特性分析，得出以下結(jié)論：

1)安邦河斜拉橋的1階自振周期為1.203 s，屬于矮塔斜拉橋中較小的一類，仍介于連續(xù)梁橋與常規(guī)斜拉橋之間。由于主梁橫向剛度較大，使得主梁豎彎與主塔橫彎成為結(jié)構(gòu)的主要低階振型。

2)安邦河斜拉橋較早地出現(xiàn)主梁縱飄，這是由于雙實(shí)體墩的抗水平側(cè)移剛度及主塔剛度較小的原因造成的。

[1] 劉士林.斜拉橋[M].北京：人民交通出版社，2002.

[2] 孫文會.單索面寬幅矮塔斜拉橋受力特性研究[D].武漢:武漢理工大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

[3] 劉志鑫，藺鵬臻，劉鳳奎.小西湖矮塔斜拉橋的動力性能化分析[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2007，26(4)：62-65.

[4] 陳 方.公路矮塔斜拉橋自振特性分析[J].中外公路，2014,34(2)：161-164.

[5] 莫海洪.沙灣矮塔混凝土斜拉橋靜動力特性分析[D].廣州：華南理工大學(xué)，2009.

[6] 王立峰，劉 龍，肖子旺.大跨度矮塔斜拉橋靜動力特性分析[J].中外公路，2013，33(3)：118-121.

[7] JTG D63—2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

The dynamic characteristic analysis of extradosed cable-stayed bridge★

Li Wei1，2Shi Zhenwu1Jiang Hongwei1Wang Lifeng1

(1.CivilEngineeringCollege,NortheastForestryUniversity,Harbin150040,China; 2.HeilongjiangProvincailHighwaySurvey&DesignInstitute,Harbin150080,China)

This paper has treated extradosed cable-stayed bridge of Anbang River as engineering background. By adopting Midas/Civil finite element procedure, and the natural vibration characteristics of the bridge using sub spatial repetitive process is calucated. The result can provide the reference for the health detection and maintenance of the bridge in the process of operation. And it also plays a reference role to further understand the dynamic property of extradosed cable-stayed bridge.

extradosed cable-stayed bridge， finite element， natural vibration characteristics， dynamic property

1009-6825(2015)30-0151-03

2015-08-18★：哈爾濱市應(yīng)用技術(shù)研究與開發(fā)項目(項目編號：2015RAQXJ011)

李 巍(1977- )，女，在讀博士，高級工程師； 石振武(1963- )，男，博士，博士生導(dǎo)師，教授； 姜洪偉(1989- )，男，在讀碩士； 王立峰(1971- )，男，博士，碩士生導(dǎo)師，副教授

U448.27

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