單索面公軌兩用鋼桁梁獨(dú)塔斜拉橋施工動(dòng)力特性分析

胡玉梅　鄭慧君

摘要：運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS對(duì)重慶某大橋最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行了動(dòng)力特性的數(shù)值模擬分析，得到了結(jié)構(gòu)的自振頻率，并對(duì)其振型進(jìn)行描述，對(duì)影響結(jié)構(gòu)自振特性的因素進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，主梁剛度的增加有助于提高結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性。橋塔及斜拉索剛度的增加有助于提高結(jié)構(gòu)的豎向彎曲剛度及側(cè)彎扭耦合剛度，斜拉索傾角對(duì)結(jié)構(gòu)的整體剛度影響較大，輔助墩的設(shè)置位置對(duì)大橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。研究結(jié)果可以為同類橋梁在最大懸臂狀態(tài)的抗風(fēng)及抗震設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：?jiǎn)嗡髅驿撹炝邯?dú)塔斜拉橋；ANSYS；最大懸臂狀態(tài)；動(dòng)力特性；主梁；斜拉索

中圖分類號(hào)：TB

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.17.108

0引言

研究橋梁結(jié)構(gòu)包括自振頻率、阻尼和主振型的自振特性是分析斜拉橋動(dòng)力行為的基礎(chǔ)。結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性取決于結(jié)構(gòu)的剛度、支撐條件和組成體系等。研究橋梁結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性對(duì)于橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性分析、抗震設(shè)計(jì)、健康檢測(cè)和維護(hù)都有著重要的意義，同時(shí)也是判別橋梁結(jié)構(gòu)是否完整的重要依據(jù)。

筆者以重慶市某大橋最大懸臂狀態(tài)為背景，運(yùn)用有限元分析軟件ANSYS建立該橋的三維有限元模型，對(duì)其自振特性進(jìn)行了分析。研究探討了單索面鋼桁梁獨(dú)塔斜拉橋最大懸臂狀態(tài)自振特性在參數(shù)影響下的一般規(guī)律，其結(jié)果可作為同類橋梁研究和設(shè)計(jì)工作的參考依據(jù)。

1工程背景

重慶某大橋南穿渝中區(qū)洪崖洞旁滄白路，跨嘉陵江，北接江北區(qū)江北城大街南路。主橋?yàn)閱嗡嗡髅驿撹炝盒崩瓨?，跨徑布置?8m+3索塔采用天梭形，包括上、中、下塔墩，采用C50混凝土。

2有限元模擬

建立與結(jié)構(gòu)實(shí)際狀況相符的力學(xué)模型，是分析大橋在最大懸臂狀態(tài)的空間動(dòng)力特性的基礎(chǔ)。計(jì)算模型力求在邊界條件、質(zhì)量、剛度上的模擬與實(shí)際狀況相符。采用正確的單元來(lái)模擬斜拉橋各個(gè)主要組成構(gòu)件是建立大橋最大懸臂狀態(tài)空間有限元模型的關(guān)鍵。因此在建立有限元模型時(shí)，將主要基于以下原則來(lái)選擇單元：（1）選取的單元必須能最大程度地模擬結(jié)構(gòu)的受力特性；（2）必須保證計(jì)算結(jié)果具有足夠的精度；（3）有限元模型建立要盡量簡(jiǎn)便，計(jì)算工作量要盡量小，進(jìn)行結(jié)果處理時(shí)也要比較方便。

3動(dòng)力特性分析

斜拉橋頻譜密集，斜拉索性質(zhì)與膜相似，其模態(tài)密集度高于一般結(jié)構(gòu)，在頻率范圍較寬的情況下，動(dòng)力荷載能夠激起很多振型的振動(dòng)，因而大跨度斜拉橋的動(dòng)力特性分析通常采用10階以上振型。動(dòng)力特性計(jì)算過(guò)程中，采用無(wú)阻尼的自由振動(dòng)方程，考慮到自重的初始應(yīng)力效應(yīng)，因此在動(dòng)力特性求解特征值的過(guò)程中，先進(jìn)行靜力分析，將靜力分析的應(yīng)力剛度矩陣與結(jié)構(gòu)原始剛度矩陣結(jié)合進(jìn)行模態(tài)分析。

4結(jié)語(yǔ)

（1）單索面鋼桁梁斜拉橋最大懸臂狀態(tài)主要有橫向擺動(dòng)、豎向擺動(dòng)、扭轉(zhuǎn)振動(dòng)、豎彎振動(dòng)、側(cè)彎振動(dòng)和耦合振動(dòng)六種振動(dòng)形式，后面的振型趨于復(fù)雜。主梁的豎向剛度大于其橫向剛度，扭轉(zhuǎn)剛度較小，屬于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，柔性較大。

（2）單索面鋼桁梁獨(dú)塔斜拉橋最大懸臂狀態(tài)動(dòng)力特性的影響因素很多，包括構(gòu)件剛度、邊界條件及斜拉索傾角等，這些參數(shù)值設(shè)計(jì)合理與否直接關(guān)系橋梁結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性。

（3）構(gòu)件剛度對(duì)單索面鋼桁梁斜拉橋最大懸臂狀態(tài)動(dòng)力特性有著重要的影響，主梁有助于增強(qiáng)斜拉橋的扭轉(zhuǎn)剛度，因此提高主梁剛度有助于增強(qiáng)橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性。斜拉索、橋塔和主梁的剛度增加都有助于提高結(jié)構(gòu)的側(cè)彎扭剛度，但隨著橋塔剛度的增加，結(jié)構(gòu)的豎向彎曲剛度隨之下降。

（4）主梁與橋塔的不同連接方式對(duì)結(jié)構(gòu)主要振型自振頻率的影響均較小，可以忽略不計(jì)。

（5）斜拉索傾角的改變對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)振型的自振頻率影響較小，可以忽略不計(jì)。但是對(duì)斜拉索傾角的調(diào)整，對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向彎曲和側(cè)彎扭耦合影響較大，較大幅度地降低了結(jié)構(gòu)的剛度，因此對(duì)斜拉索傾角的處理要格外謹(jǐn)慎。

（6）輔助墩位置移動(dòng)對(duì)單索面鋼桁梁斜拉橋最大懸臂狀態(tài)的抗風(fēng)穩(wěn)定性影響較大，隨著輔助墩位置逐漸向江北區(qū)方向移動(dòng)，結(jié)構(gòu)1階扭轉(zhuǎn)頻率和1階豎向彎曲頻率的比值逐漸增大，使得橋梁發(fā)生震顫破壞的可能性增大。因而對(duì)輔助墩位置的設(shè)置需經(jīng)過(guò)優(yōu)化計(jì)算并結(jié)合工程實(shí)際情況。

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