異型拱橋自振特性影響因素分析

陽(yáng)治群

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

異型拱橋自振特性影響因素分析

陽(yáng)治群

(湖南省交通科學(xué)研究院， 湖南 長(zhǎng)沙 410015)

結(jié)合工程實(shí)際建立了拱肋跨徑180 m，主梁跨徑190 m，矢跨比0.34，平面半徑R=600 m的拱肋斜跨主梁的異型拱橋——張家口清水河通泰大橋的有限元模型，分析了矢跨比、主梁中心線與拱肋中心線之間的夾角、寬跨比對(duì)自振特性的影響。

異型拱橋； 自振特性； 矢跨比； 夾角； 寬跨比

異型拱橋作為近些年來(lái)一種新型橋型，隨著拱橋結(jié)構(gòu)分析理論的完善以及施工工藝的突破得到了快速發(fā)展，但異型拱橋在美觀方面較一般類型拱橋更有優(yōu)勢(shì)，但在結(jié)構(gòu)構(gòu)造和受力方面更為復(fù)雜，目前很多問(wèn)題如在動(dòng)力學(xué)上的相關(guān)問(wèn)題還需解決，所以對(duì)異型拱橋的研究顯得十分具有價(jià)值。

本文結(jié)合工程背景，以張家口清水河通泰大橋作為研究對(duì)象，分析研究了矢跨比、拱肋中心線與主梁中心線之間的夾角、寬跨比等因素對(duì)自振特性的影響。

1 工程背景

張家口清水河通泰大橋全長(zhǎng)945 m，其中主橋是主跨為190 m、矢跨比0.345、拱腳間距180 m的鋼箱梁、拱肋斜跨主梁的異型拱橋。主橋氣勢(shì)磅礴，宏偉壯觀，形狀酷似彩虹的拱肋，猶如一條紐帶，與周圍環(huán)境融為一體，相得益彰。 大橋布置見圖1、圖2。

圖1 大橋立面布置(單位： cm)

圖2 大橋平面布置(單位： cm)

2 模型建立

張家口清水河通泰大橋上部結(jié)構(gòu)主要包括主梁、拱肋、吊桿；下部結(jié)構(gòu)只是在橋頭兩端設(shè)置橋臺(tái)；本文通過(guò)有限元分析軟件MIDAS建立有限元模型，上部結(jié)構(gòu)中主梁、拱肋采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，吊桿采用桁架單元模擬；下部結(jié)構(gòu)中橋臺(tái)采用梁?jiǎn)卧M，樁基礎(chǔ)采用 “m”建模。見圖3。

圖3 大橋有限元模型

3 自振特性影響因素分析

3.1 矢跨比的影響

一般鋼結(jié)構(gòu)拱橋常用的矢跨比1/5～1/6，極端值為1/2.5。而張家口清水河通泰大橋?yàn)楫愋凸皹?，較一般的拱橋具有一定的特殊性且其矢跨比為0.345，已接近極端值，則討論矢跨比在0.25～0.35之間變化對(duì)自振特性的影響。見表1。

表1 矢跨比變化的自振特性值

從表1中可以看出： 矢跨比的變化對(duì)異型拱橋的基頻影響較大，當(dāng)矢跨比從0.25變化到0.35，基頻逐漸較少，減少9.5%，矢跨比的變化對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響較大，在具體的工程設(shè)計(jì)中，要充分考慮矢跨比對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響。

3.2 拱肋中心線與主梁中心線之間夾角的影響

張家口清水河通泰大橋拱肋斜跨主梁，其拱肋中心線與主梁中心線的設(shè)計(jì)夾角α為19.4°。異型拱橋一般通過(guò)調(diào)整拱肋中心線與主梁中線的夾角來(lái)增加橋梁的美觀，但考慮異型拱橋的夾角一般較小，所以討論夾角α在17°～22°之間變化對(duì)自振頻率的影響。 見表2。

從表2中可以看出：拱肋中心線與主梁中心線之間的夾角變化對(duì)異型拱橋的基頻影響不大，從17°變化到22°，雖然基頻是逐漸減少，但僅僅減少了0.72%，說(shuō)明拱肋中心線與主梁中心線之間的夾角的變化對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響有限。所以在具體的工程設(shè)計(jì)時(shí)，拱肋中心線和主梁中心線之間的夾角以滿足美觀、構(gòu)造為主。

表2 夾角變化的自振特性值

3.3 寬跨比的影響

從表3中可以看出：寬跨比的變化對(duì)異型拱橋的基頻影響不大，隨著寬跨比的增大基頻逐漸增加，增加的比例較少在5%之內(nèi)。

表3 寬跨比變化的自振特性值

4 振型特性

無(wú)論改變矢跨比，還是改變橋拱肋中心線與主梁中心線之間的夾角、寬跨比，前6階振型形態(tài)都沒(méi)有發(fā)生變化，說(shuō)明這些因素的變化對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的改變不起決定性作用，在橋梁使用過(guò)程中，這些因素的改變并不會(huì)明顯改變橋梁的自振形態(tài)。見表4。

表4 振型形態(tài)

5 結(jié)論

1) 在橋梁使用過(guò)程中拱肋中心線與主梁中心線之間的夾角、矢跨比、寬跨比的變化對(duì)于剛度的影響并不會(huì)明顯改變橋梁的自振形態(tài)。

2) 矢跨比發(fā)生變化，頻率隨著矢跨比的增大而減少，對(duì)頻率的影響相對(duì)較大；拱肋中心線與主梁中心線之間的夾角發(fā)生變化，頻率隨和夾角的增大而減少，對(duì)頻率的影響因素相對(duì)較少；寬跨比發(fā)生變化，頻率隨著寬跨比的增大而增大，但對(duì)頻率的影響較少。

[1] 李生智,王瑋瑤,鄔妙年.異型拱橋[M].北京:人民交通出版社,1996.

[2] 李國(guó)豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,2003.

[3] R.W克拉夫,J.彭津.結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京:高等教育出版社,2006.

[4] 況永輝. 鋼筋混凝土系桿拱橋動(dòng)力特性分析[D].成都: 西南交通大學(xué),2007.

[5] 張溪,楊曙,嵐曲佳. 構(gòu)造形式對(duì)鋼管混凝土拱橋動(dòng)力性能的影響[J].現(xiàn)代交通技術(shù),2008,5(3):32-35.

[6] 勞文全.鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性分析[D].長(zhǎng)沙:湖南大學(xué),2006.

[7] 李喬,李麗.異型拱橋結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析[J].公路交通科技,2000,1(18):31-35.

[8] 劉保東.工程振動(dòng)與穩(wěn)定基礎(chǔ)[M].北京:北方交通大學(xué)出版社,2002.

[9] 李剛. 異型拱橋的結(jié)構(gòu)分析與研究 [D].西安: 長(zhǎng)安大學(xué),2009.

[10] 霍學(xué)晉.異型拱橋的非線性受力行為研究及動(dòng)力特性分析[D].成都: 西南交通大學(xué),2011.

[11] 杜光.異形拱橋的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和動(dòng)力性能分析[D].成都: 西南交通大學(xué),2011.

1008-844X(2017)02-0158-03

U 448.22

A