矮塔斜拉橋不同梁高條件下動(dòng)力性能分析

■陳念張磊（.武漢金思路科技發(fā)展有限公司，武漢430000l；.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢430000）

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矮塔斜拉橋不同梁高條件下動(dòng)力性能分析

■陳念1張磊2
（1.武漢金思路科技發(fā)展有限公司，武漢430000l；2.中國市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，武漢430000）

以某實(shí)體矮塔斜拉橋?yàn)槔?，建立有限元模型分析不同主梁高度下矮塔斜拉橋的?dòng)力性能，對該橋型不同梁高下的動(dòng)力性能進(jìn)行歸納總結(jié)，對設(shè)計(jì)矮塔斜拉橋主梁高度提供一定參考。

矮塔斜拉橋有限元主梁高度動(dòng)力性能

1前言

矮塔斜拉橋?qū)儆谛崩?連續(xù)（剛構(gòu)）體系橋梁，它具有主梁剛度較普通斜拉橋大、較矮的主塔以及斜拉索較為集中的這三個(gè)主要特點(diǎn)，是剛度介于連續(xù)梁與斜拉橋之間的一種斜拉-連續(xù)（剛構(gòu)）組合體系橋［1］。它是近20年才發(fā)展起來的一種新型橋梁結(jié)構(gòu)，近十年來應(yīng)用較多，受到廣泛的關(guān)注，國內(nèi)外已有多座矮塔斜拉橋在建或已建成投入運(yùn)營。矮塔斜拉橋以其優(yōu)越的結(jié)構(gòu)性能、良好的經(jīng)濟(jì)性能、成熟的建造工藝以及優(yōu)美的景觀效應(yīng)使它逐漸成為一種極具競爭力的橋型。

2工程實(shí)例

2.1工程概況

該實(shí)體大橋?yàn)楦咚俟房缃髽?，橋跨布置為?0m預(yù)應(yīng)力砼T梁+（108+180+108）m矮塔斜拉橋+（14×30）m預(yù)應(yīng)力砼T梁。全橋總長857m（含橋臺(tái)長）。

2.2主要技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

（1）橋面為雙向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)布置；橋面寬27.3m（0.5m防撞欄+11.75m車行道+2.8m中央分隔帶+ 11.75m車行道+0.5m防撞欄桿=27.3m），橋塔和斜拉索設(shè)置在中央分隔帶內(nèi)。

（2）設(shè)計(jì)速度：100km/h。（3）設(shè)計(jì)荷載：公路-I級。（4）設(shè)計(jì)洪水頻率：1/300。（5）通航標(biāo)準(zhǔn)：無。

（6）地震動(dòng)峰值加速度：0.16g。

2.3主橋結(jié)構(gòu)形式

2.3.1主梁

主梁為單箱三室斜腹板變截面箱梁?；炷翉?qiáng)度等級為C55。主梁根部高度為5.8m，端部等截面段主梁高度為3m，高度按二次拋物線變化。0號塊長12m，主梁高度變化段每側(cè)各84m，邊跨等梁高段每側(cè)18.76m，中跨等高梁段長2m，為跨中合攏段。箱梁頂寬27.3m，底寬15.928～17.327m。懸臂板長4.5m，頂板厚28cm，底板厚度由跨中32cm逐漸加大至根部為110cm，0號塊內(nèi)底板厚140cm。外側(cè)腹板為斜腹板，厚度在塔墩兩側(cè)各5～54m段為80cm，54m～57.5m為腹板變厚過渡段，57.5m～89m為60cm，0號塊段內(nèi)為100cm。內(nèi)側(cè)腹板為直腹板，厚度在塔墩兩側(cè)各5～54m段為60cm，54m～57.5m為腹板變厚過渡段，57.5m～跨中段為40cm，0號塊段中室為實(shí)心段。懸臂施工每節(jié)段長度為3.5或3.0m，最大節(jié)段重量為約391.3t，在張拉斜拉索的梁段內(nèi)設(shè)置有橫隔板，間距7m，橫隔板厚40cm。

2.3.2主塔

主塔采用矩形實(shí)心斷面，C55混凝土。從底部到頂部為等截面，平面尺寸為5.5m×2.6m，橋面以上塔高29m，布置在中央分隔帶上，并與箱梁固結(jié)。塔身上部設(shè)有鞍座，以便拉索通過，每根斜拉索對應(yīng)一個(gè)分絲管，斜拉索橫橋向呈兩排布置，分絲管亦設(shè)兩排，分絲管橫橋向間距1m。

2.3.3斜拉索

斜拉索為單索面、雙排布置在中央分隔帶上，全橋共采用4×9對斜拉索。斜拉索梁上縱向間距7.0m，雙排橫向布置間距為1.0m，塔上豎向間距1.2m（理論值：為斜拉索與塔中心交點(diǎn)的豎向間距）。斜拉索在塔頂連續(xù)通過分絲管，兩側(cè)對稱錨于梁體。

2.3.4塔墩及橋墩

主橋2、3號墩采用鋼筋混凝土變截面薄壁空心墩，橋墩橫橋向?qū)捑鶠?5.928m，縱橋向墩頂寬9m，沿高度方向按80∶1的傾率擴(kuò)大橋墩截面，2號墩墩底縱橋向?qū)?1.375m，3號墩底寬11.3m。承臺(tái)厚度為6m，采用25×Φ2.0m鉆孔樁基礎(chǔ)。1、4號過渡墩采用鋼筋混凝土等截面薄壁空心墩，平面尺寸為20.5×3.0m，承臺(tái)厚度為4m，采用10×Φ2.0m鉆孔樁基礎(chǔ)。引橋橋墩采用“Y”形墩，承臺(tái)厚度為2.5m，采用4×Φ1.4m鉆孔樁基礎(chǔ)，按摩擦樁設(shè)計(jì)。

3有限元模型建立

運(yùn)用橋梁有限元分析軟件MidasCivil2010建立空間有限元計(jì)算模型。全橋結(jié)構(gòu)離散為369個(gè)節(jié)點(diǎn)，330個(gè)單元。主梁采用變截面梁單元進(jìn)行離散，斜拉索采用只承受拉力的桁架單元進(jìn)行模擬。主塔與橋墩均采用梁單元進(jìn)行模擬；用一般支承模擬邊墩支座和墩底固結(jié)，用彈性連接里的剛性連接模擬塔墩梁固結(jié)?？紤]到斜拉索錨固點(diǎn)偏心的影響，用主從連接模擬斜拉索與主梁、橋塔的連接。主梁、橋墩、全橋模型圖如圖1～3所示。

圖1　矮塔斜拉橋模型主梁劃分圖

圖2　橋墩的模擬

圖3　全橋整體有限元模型

4不同梁高情況下動(dòng)力特性分析

4.1自振特性的計(jì)算

本實(shí)例為塔梁墩固結(jié)體子，主要由塔、梁和墩來抵抗地震力。采用MIDAS2010進(jìn)行結(jié)構(gòu)離散，運(yùn)用blocklanczos對工程實(shí)例進(jìn)行模態(tài)分析。針對本文模型，提取矮塔斜拉橋的前20階振型范圍內(nèi)的振型進(jìn)行分類歸納，分別為以下四種振型：（1）主梁豎彎、塔墩縱向振動(dòng)；（2）主梁橫彎、塔墩橫向振動(dòng)；（3）主梁橫向振動(dòng)；（4）主塔橫向振動(dòng)。為方便研究分別提取五階主梁豎彎、塔墩縱向振動(dòng)；五階主梁橫彎、塔墩橫向振動(dòng)；一階主梁橫向振動(dòng)；一階主塔橫向振動(dòng)四種類型。

4.2主梁高度變化對自振特性的影響分析

主梁高度變化下主梁豎彎、塔墩縱向振動(dòng)，主梁橫彎、塔墩橫向振動(dòng)，主梁橫彎以及主塔橫向振動(dòng)計(jì)算數(shù)據(jù)如圖1～3所示。

表1　主梁豎彎、塔墩縱向振動(dòng)頻率計(jì)算表（單位：Hz）

表2　主梁豎彎、塔墩橫向振動(dòng)頻率計(jì)算表（單位：Hz）

表3　主梁橫彎、主塔橫向振動(dòng)頻率計(jì)算表（單位：Hz）

（1）由表1中可以看出，主梁豎彎、塔墩縱向振動(dòng)前五階振動(dòng)頻率隨著主梁高度的增高而逐漸增加的趨勢，且隨著階數(shù)的增加其增幅逐漸增大。前五階增幅分別為：1.5%、10.2%、13.6%、15.1%、14.5%。

（2）由表2中看出，主梁豎彎、塔墩橫向振動(dòng)的前五階振動(dòng)頻率隨著主梁高度的增加而逐漸減小，隨著階數(shù)的增加其增幅先減小后增大。前五階的增幅為1.4%、0.1%、0.2%、0.4%、1.0%。

（3）由表3中可以看出，隨著主梁高度的增加，主梁一階橫彎和主塔一階橫向振動(dòng)均呈單調(diào)遞減。減幅分別為0.8%、0.2%。

4結(jié)論

本文通過計(jì)算實(shí)橋的自振特性對矮塔斜拉橋進(jìn)行動(dòng)力分析，隨著主梁高度的增加剛度也隨之增加，但其自重也逐漸增大。主梁豎彎、塔墩縱向振動(dòng)前五階振動(dòng)頻率隨著主梁高度的增高而逐漸增加的趨勢，且隨著階數(shù)的增加其增幅逐漸增大；主梁豎彎、塔墩橫向振動(dòng)的前五階振動(dòng)頻率隨著主梁高度的增加而逐漸減小，隨著階數(shù)的增加其增幅先減小后增大。主梁高度的增加，主梁一階橫彎和主塔一階橫向振動(dòng)均呈單調(diào)遞減。為保證橋梁良好的動(dòng)力性能，對主梁高度的選取參照規(guī)范進(jìn)行優(yōu)化，在增加主梁高度的同時(shí)適當(dāng)減小腹板的厚度以減小主梁的自重集度。

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