大跨度鋼箱梁斜拉橋自振特性影響因素分析

檀威 李瓊

摘 要：本研究以“魚(yú)骨刺”Midas模型模擬單箱五室薄壁鋼箱梁斜拉橋，在成橋狀態(tài)下進(jìn)行大跨度鋼箱梁斜拉橋自振特性影響因素分析，結(jié)果表明：自重及初索力變化對(duì)鋼箱梁斜拉橋的自振特性影響較小;斜拉橋振型不隨拉索增減的變化而變化，鋼箱梁斜拉橋的面內(nèi)振動(dòng)頻率隨著拉索數(shù)量增加而降低，鋼箱梁斜拉橋的面外振動(dòng)頻率隨著拉索減少增加而提高;斜拉橋振型不隨索塔剛度的變化而變化，鋼箱梁斜拉橋的振動(dòng)頻率隨著索塔剛度增加而提高。

關(guān)鍵詞：鋼箱梁;自由振動(dòng);基頻;振型

中圖分類(lèi)號(hào)：U445.4 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A ? ? 文章編號(hào)：1003-5168（2022）6-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.016

Analysis of Factors Affecting Natural Vibration Characteristics of Long-Span Steel Box Girder Cable-Stayed Bridge

TAN Wei ?LI Qiong

（Hubei Dacheng Engineering Management Co.， Ltd.， Wuhan 430000，China）

Abstract： It is the basis of studying the dynamic characteristics of various Bridges. In this study， the "Fish bone spur" Midas model is used to simulate the single-box five-chamber thin-walled steel box girder cable-stayed bridge， and the factors influencing the natural vibration characteristics of long-span steel box girder cable-stayed bridge are analyzed in the completed state. The results show that the variation of dead weight and initial cable force has little influence on the natural vibration characteristics of steel box girder cable-stayed bridge. The vibration mode of the cable-stayed bridge does not change with the increase or decrease of cables， the in-plane vibration frequency of the steel box girder cable-stayed bridge decreases with the increase of cables， and the out-of-plane vibration frequency of the steel box girder cable-stayed bridge increases with the increase of cables. The vibration mode of cable-stayed bridge does not change with the rigidity of cable tower， but the vibration frequency of steel box girder cable-stayed bridge increases with the rigidity of cable tower.

Keywords： steel box girder; free vibration; the fundamental frequency

0 引言

自由振動(dòng)是影響橋梁壽命和安全的重要因素[1]，也是斜拉橋橋梁動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的固有屬性[2-3]，它是研究各種橋梁動(dòng)力特性的基礎(chǔ)[4]。中華人民共和國(guó)成立以來(lái)，斜拉橋在設(shè)計(jì)、施工各方面均取得了極大的進(jìn)展，但對(duì)其鋼箱梁斜拉橋動(dòng)力特性的研究卻較少[5-6]。因此，對(duì)斜拉橋的自由振動(dòng)特性分析變得十分重要。本研究以“魚(yú)骨刺”Midas模型模擬單箱五室薄壁鋼箱梁斜拉橋，分析了斜拉橋前10階的頻率和振型。同時(shí)對(duì)比分析了是否考慮自重及初索力、斜拉索數(shù)量增減、索塔剛度三個(gè)因素對(duì)鋼箱梁斜拉橋自振特性的影響。

1 鋼箱梁斜拉橋工程概況

該橋?yàn)榘肫∥蹇邕B續(xù)雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，其中主橋長(zhǎng)964 m，跨徑組合為48 m +204 m +460 m +204 m +48 m。鋼箱梁總寬38.8 m，雙向6車(chē)道。主梁為全焊流線型扁平鋼箱梁（較一般扁平鋼箱梁具有更優(yōu)越的抗風(fēng)性能和更大的抗扭剛度），采用單箱五室薄壁結(jié)構(gòu)。索塔采用分離式倒“Y”形，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。支座為永久豎向支座、橫向抗風(fēng)支座。斜拉索采用高強(qiáng)度低松弛鍍鋅平行鋼絲外擠包高密度雙層聚乙烯護(hù)層制成，全橋共設(shè)置72對(duì)，具體如圖1所示。

2 自振特性分析

2.1 有限元模型

采用大型有限元程序Midas建立“魚(yú)骨刺”模型，對(duì)該橋進(jìn)行空間梁格受力分析，主要包括主塔、主梁、拉索、主梁和拉索剛臂。主塔采用梁?jiǎn)卧M，沿塔身采用變截面;主梁也采用梁?jiǎn)卧M，橫隔板及一些細(xì)部構(gòu)造的剛度未模擬，其平動(dòng)質(zhì)量通過(guò)計(jì)算折算到單元材料特性中，未考慮其扭轉(zhuǎn)質(zhì)量效應(yīng);拉索使用桁架單元模擬，給單元施加初應(yīng)變來(lái)模擬索力;在鋼箱梁建立剛臂單元與拉索連接。剛臂單元具有很大的剛度，沒(méi)有質(zhì)量，只起傳遞拉力和彎矩的作用。主梁配重段配重及二期恒載重量通過(guò)靜力荷載來(lái)模擬，然后通過(guò)Midas的荷載轉(zhuǎn)化為質(zhì)量功能，考慮這些重量對(duì)結(jié)構(gòu)的質(zhì)量作用。邊界條件：該橋?qū)儆诎肫◇w系，約束條件見(jiàn)圖2。

2.2 自振特性分析

按照斜拉橋的設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)對(duì)斜拉橋進(jìn)行空間分析，在成橋狀態(tài)下，該橋主要承受自重、斜拉索初張力。對(duì)該橋空間模型進(jìn)行10階模態(tài)分析，頻率、周期、振型結(jié)果見(jiàn)表1。

前10階模態(tài)振型如圖3所示。

從振型分析結(jié)果可以看出如下4點(diǎn)。

①結(jié)構(gòu)前八階頻率都在1 Hz以下，說(shuō)明該橋整體體系較柔。

②前兩階振形為豎彎、第三四階振形為橫彎，這是由于鋼箱梁寬高比較大，橫向剛度比豎向剛度大。

③塔柱承臺(tái)以上160 m高、下橫梁以上120 m高的橋塔容易參與體系的整體振動(dòng)，包括橫向、縱向的振動(dòng)。

④就主跨、邊跨、輔跨來(lái)說(shuō)，主跨剛度相對(duì)最小，振動(dòng)變形最明顯;輔跨剛度最大，振動(dòng)變形最不明顯。

3 影響鋼箱梁斜拉橋自振特性因素分析

3.1 自重及初索力對(duì)自振特性的影響

采用“魚(yú)骨刺”midas civil建立鋼箱梁斜拉橋有限元模型，在考慮自重及初索和不考慮自重及初索力兩種情形下進(jìn)行斜拉橋自振特性分析。自振特性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表2。

從表2得出，未考慮自重及初索力與原始模型頻率差值在0.11%～2.33%，說(shuō)明自重及初索力變化對(duì)鋼箱梁斜拉橋的自振特性影響較小，分析鋼箱梁斜拉橋進(jìn)行自振特性時(shí)可忽略其影響。

3.2 斜拉索數(shù)量增減對(duì)自振特性的影響

斜拉索包括索體、錨具和過(guò)渡段三部分，斜拉索主要將荷載通過(guò)受拉方式傳遞索塔。本文將初始模型中的72對(duì)拉索數(shù)目減半進(jìn)行鋼箱梁斜拉橋自振特性分析，自振特性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表3。

從表3得出，斜拉橋振型不隨拉索增減的變化而變化，鋼箱梁斜拉橋的面內(nèi)振動(dòng)頻率隨著拉索數(shù)量增加而降低，鋼箱梁斜拉橋的面外振動(dòng)頻率隨著拉索減少增加而提高。

3.3 主塔的剛度對(duì)自振特性的影響

索塔和橋墩是斜拉橋?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)的恒載和活載傳到地基的部件?；炷了魉Y(jié)構(gòu)為壓彎構(gòu)件，塔自重、鋼箱梁恒載及移動(dòng)荷載豎向分力組成豎向壓力，索的水平力、風(fēng)力、溫度力等荷載產(chǎn)生彎矩。將主塔各截面尺寸增大50%后對(duì)鋼箱梁斜拉橋進(jìn)行自振特性分析，自振特性對(duì)比結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4得出，鋼箱梁斜拉橋振型不隨索塔剛度的變化而變化，前10階頻率增大在0.28%～22.5%，表明索塔剛度對(duì)基頻影響較大，鋼箱梁斜拉橋的振動(dòng)頻率隨著索塔剛度增加而提高。

4 結(jié)論

本研究采用“魚(yú)骨刺”Midas建立鋼箱梁斜拉橋有限元模型，通過(guò)分析前10階自振特性，得到如下4點(diǎn)結(jié)論。

①結(jié)構(gòu)前八階頻率都在1 Hz以下，說(shuō)明該橋整體體系較柔;主跨剛度相對(duì)最小，振動(dòng)變形最明顯;輔跨剛度最大，振動(dòng)變形最不明顯。

②自重及初索變化對(duì)鋼箱梁斜拉橋的自振特性影響較小，分析鋼箱梁斜拉橋進(jìn)行自振特性時(shí)可忽略其影響。

③斜拉橋振型不隨拉索增減的變化而變化，鋼箱梁斜拉橋的面內(nèi)振動(dòng)頻率隨著拉索數(shù)量增加而降低，鋼箱梁斜拉橋的面外振動(dòng)頻率隨著拉索減少增加而提高。

④斜拉橋振型不隨索塔剛度的變化而變化，鋼箱梁斜拉橋的振動(dòng)頻率隨著索塔剛度增加而提高。

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