邊中跨比對(duì)雙塔雙索面混凝土斜拉橋動(dòng)力特性影響分析

郭攀

摘 要：本文通過(guò)ANSYS有限元分析軟件，建立某雙塔雙索面混凝土斜拉橋的空間力學(xué)計(jì)算模型，利用子空間迭代法分析了不同跨徑比時(shí)結(jié)構(gòu)的自振頻率及相應(yīng)振型特征，得出不同跨徑比對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率及振型順序的敏感程度。該結(jié)論有利于通過(guò)模態(tài)參數(shù)修正有限元分析模型，對(duì)后期調(diào)整結(jié)構(gòu)自振頻率及斜拉橋的構(gòu)造設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：雙塔雙索面混凝土斜拉橋；動(dòng)力特性；邊中跨比；頻率；振型

中圖分類號(hào)：U448.27；U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）07-0104-02

Influence of Side to Main Span on the Dynamic Characteristic of

Double-cable Plane Prestressing Force Concrete Cable Stayed Bridge

GUO Pan

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： Through the finite element analysis program ANSYS， hree-dimensional finite element models for two pylons cable-stayed bridges are set up. The natural vibration modes and frequencies of the bridge are computed using the subspace iteration method with the influence of parameter changes of ratio of side to main span. The analysis draws the general conclusions on the parametric sensitivity about dynamic characteristics of two pylons cable-stayed bridges. These conclusions are propitious to the modification of finite element models， and also， provide some gist to the concept design and the constitution design.

Keywords： two pylons cable-stayed bridge；dynamic characteristics；ratio of side to main span；frequencies；the natural vibration modes

1 研究背景

某雙塔雙索面混凝土斜拉橋，主跨348m，邊跨174m，橋?qū)?8m，塔高162m，主塔連接橫梁長(zhǎng)30m，塔的倒Y分叉點(diǎn)距橋面60m，塔底距橋面30m，塔底橫橋向距離20m。全橋張拉118條索[1]。

本文以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析方法為基本理論，以ANSYS有限元分析軟件作為計(jì)算工具，以斜拉橋三維有限單元模型為研究對(duì)象，研究邊中跨比的變化對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響，探討斜拉橋頻率、振型及其順序的一般變化規(guī)律，有利于依據(jù)模態(tài)參數(shù)修正有限元模型，對(duì)今后結(jié)構(gòu)自振頻率的調(diào)整及斜拉橋的概念設(shè)計(jì)及構(gòu)造設(shè)計(jì)都具有一定的指導(dǎo)意義。

2 有限元建模

通過(guò)ANSYS有限元分析軟件對(duì)斜拉橋進(jìn)行空間離散，將結(jié)構(gòu)用桿、梁、索或其他形態(tài)的單元進(jìn)行模擬。主梁采用單主梁法的空間“魚(yú)骨式”模型，將加勁梁的抗彎、抗扭剛度集中在一根縱向的空間桿件上，其質(zhì)量通過(guò)橫向“魚(yú)骨”沿空間分布。斜拉索錨固點(diǎn)為梁?jiǎn)卧淖匀还?jié)點(diǎn)。橋塔采用三維梁?jiǎn)卧M，塔柱的截面變化和索錨固點(diǎn)為梁?jiǎn)卧淖匀还?jié)點(diǎn)。斜拉索采用桿單元模擬。對(duì)于邊跨和輔助墩，為簡(jiǎn)化起見(jiàn)，用約束代替[2]。

在斜拉橋設(shè)計(jì)中，除對(duì)塔、主梁、斜拉索的構(gòu)造形式及尺寸的選取外，主要的總體設(shè)計(jì)參數(shù)有主梁的中邊跨跨徑比、高跨比等[3]。這些參數(shù)將直接對(duì)斜拉橋的結(jié)構(gòu)性能產(chǎn)生影響。此外，約束形式、輔助墩的有無(wú)、斜拉索的剛度對(duì)結(jié)構(gòu)整體剛度的影響十分顯著。由于本文只是對(duì)比分析斜拉橋的動(dòng)力特性而并非設(shè)計(jì)，故只考慮了結(jié)構(gòu)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)，忽略了與計(jì)算無(wú)關(guān)的構(gòu)造細(xì)節(jié)。

如表1所示，以原橋結(jié)構(gòu)參數(shù)為基本模型，通過(guò)修改邊、中跨的長(zhǎng)度得到對(duì)比模型。

3 計(jì)算結(jié)果分析

根據(jù)空間結(jié)構(gòu)圖式，利用子空間迭代法計(jì)算出成橋狀態(tài)的自振頻率及相應(yīng)振型特征[4]。表2列出了1至25階自振頻率及相應(yīng)振型特征。

由表2分析可知，隨著邊中跨跨比的降低，結(jié)構(gòu)頻率和陣型有以下特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)的固有頻率表現(xiàn)出降低的趨勢(shì)，降幅達(dá)63.2%；②塔出現(xiàn)縱飄的頻率降低，降幅達(dá)21.3%；③主梁出現(xiàn)橫彎頻率降低，但主梁出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)時(shí)的頻率有所提高；④隨著邊中跨跨比的減小，全橋振型仍以低階橫彎振型為主，但高階小范圍內(nèi)振型順序有變化。

4 結(jié)論

本文以結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模態(tài)分析方法為基本理論，通過(guò)ANSYS有限元分析軟件研究了邊中跨比的變化對(duì)斜拉橋動(dòng)力特性的影響，得到了斜拉橋頻率、振型及其順序的一般變化規(guī)律，對(duì)今后結(jié)構(gòu)自振頻率的調(diào)整及斜拉橋的概念設(shè)計(jì)及構(gòu)造設(shè)計(jì)都具有一定的指導(dǎo)意義，對(duì)了解斜拉橋的動(dòng)力性能有著重要參考價(jià)值。計(jì)算結(jié)果可為該類型橋梁的設(shè)計(jì)、施工以及使用階段的健康檢測(cè)和維護(hù)提供技術(shù)參數(shù)和依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]康俊濤，胡杰，董培東，等.三塔自錨式懸索橋動(dòng)力特性參數(shù)影響分析[J].武漢理工大學(xué)學(xué)報(bào)（交通科學(xué)與工程版），2017（4）：543-548.

[2]程曉春，鐘元.某斜拉-自錨懸索組合體系橋梁力學(xué)特性分析[J].公路交通科技（應(yīng)用技術(shù)版），2017（7）：224-226.

[3]王浩，楊敏，陶天友，等.大跨度四塔懸索橋動(dòng)力特性參數(shù)敏感性分析[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2016（3）：559-564.

[4]張文明，葛耀君.三塔雙主跨懸索橋動(dòng)力特性精細(xì)化分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2014（2）：70-76.