寬幅獨(dú)塔雙混合梁自錨式懸索橋動(dòng)力特性參數(shù)敏感性分析

中圖分類號(hào)：U448.25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.038

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0126-04

0 引言

自錨式混合梁懸索橋[1-4]作為近年來應(yīng)用較多的橋型，橋梁主跨采用鋼箱梁結(jié)構(gòu)，邊跨采用混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，能夠有效地減輕橋梁自重，延伸橋梁的跨徑?；旌狭航Y(jié)構(gòu)采用鋼材和混凝土兩種材料，能有效地發(fā)揮兩種材料的結(jié)構(gòu)特性，降低工程造價(jià)；其中邊跨混凝土梁作為主纜的壓重，能有效地保證主纜的穩(wěn)定性，起到分散主纜力的作用。

隨著懸索橋及混合梁橋體系的發(fā)展，橋梁結(jié)構(gòu)體系日益新穎。懸索橋因其景觀效果較好，在城市橋梁中應(yīng)用較為多見?？紤]到懸索橋一般柔性突出，城市橋梁一般荷載大、車道多、斷面寬等特點(diǎn)，需要重點(diǎn)關(guān)注懸索橋的動(dòng)力特性問題，保證橋梁的抗震及抗風(fēng)性能滿足使用要求。目前針對(duì)自錨式懸索橋的動(dòng)力參數(shù)特性主要集中在雙塔懸索橋，研究參數(shù)較為單一，對(duì)于非對(duì)稱獨(dú)塔雙混合梁懸索橋的動(dòng)力特性參數(shù)研究較為有限，且動(dòng)力特性參數(shù)規(guī)律尚不明確。本文以某景觀寬幅獨(dú)塔雙混合梁自錨式懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，通過參數(shù)類比的方法，研究該類懸索橋在吊桿剛度、主纜剛度、主梁剛度及恒載集度等因素變化下，橋梁的動(dòng)力特性的變化規(guī)律。

1工程概況

某景觀跨河寬幅獨(dú)塔雙混合梁自錨式懸索橋的跨徑布置為 （22+82+115+22）m ，其中主跨為雙邊箱鋼箱梁，邊跨為五室混凝土梁，梁高 ，橋梁全寬為 。橋型立面布置如圖1所示。

橋梁采用雙混合梁自錨式懸索橋，邊中跨比例為0.713，全橋共設(shè)20對(duì)吊桿，橋上吊桿間距為8m。橋塔采用門樓式混凝土塔柱，下部結(jié)構(gòu)采用實(shí)體墩、樁基礎(chǔ)。橋梁總體有限元模型如圖2所示。

2 計(jì)算模型

橋梁動(dòng)力特性計(jì)算模型采用橋梁常用軟件MidasCivil進(jìn)行建模。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行單元的離散，采用梁單元模擬橋梁主梁及橋塔，只受拉單元模擬橋梁主纜及吊桿，結(jié)合主梁、主塔、主纜及吊桿分布，全橋共設(shè)單元294個(gè)、節(jié)點(diǎn)332個(gè)。橋梁有限元模型主纜及主梁采用成橋線形進(jìn)行模擬，采用一致質(zhì)量矩陣模擬結(jié)構(gòu)自重及二期恒載。邊界條件按實(shí)際成橋邊界進(jìn)行，其中主纜與橋塔及主梁采用剛性連接處理

3橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性及計(jì)算結(jié)果

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性作為橋梁固有特性，是反映橋梁性能的重要結(jié)構(gòu)力學(xué)參數(shù)。該橋?yàn)閷挿?dú)塔雙混合梁自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，橋梁動(dòng)力特性關(guān)系到橋梁抗震及抗風(fēng)性能，有必要通過計(jì)算明確其結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。子空間選代法8-9]計(jì)算具有較高的效率，能夠真實(shí)反映橋梁的振型特性，經(jīng)計(jì)算得到該寬幅獨(dú)塔雙混合梁自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)前10階頻率如表1和圖3所示。

結(jié)合表1及圖3分析可知：

（1）該寬幅獨(dú)塔雙混合梁自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)第1階動(dòng)力特性為橋梁主梁縱向漂移，結(jié)構(gòu)頻率為0.727，對(duì)比一般的雙塔懸索橋可發(fā)現(xiàn)，橋梁結(jié)構(gòu)基頻相對(duì)較高，表明采用混合梁結(jié)構(gòu)橋梁縱向整體剛度較一般采用純鋼箱梁結(jié)構(gòu)的懸索橋要高。同時(shí)，該橋第1階為主梁的縱向漂移，也反映了懸索橋整體剛度較柔的特征。

（2）第2階～第4階為主塔的橫向或者縱向振動(dòng)，表明橋塔整體剛度較小。經(jīng)分析可知，主要是考慮到該橋采用門式結(jié)構(gòu)的橋塔，橋塔采用主塔與外側(cè)的副塔相連接，不設(shè)置主塔上橫聯(lián)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)重點(diǎn)結(jié)合橋塔的動(dòng)力特性加強(qiáng)抗震設(shè)計(jì)。

（3）進(jìn)一步分析可知，橋梁主梁橫向及豎向振動(dòng)出現(xiàn)在第5階及第6階，表明橋梁整體的橫向及豎向剛度較大；同時(shí)，第5階陣型為主纜橫彎與主梁橫向振動(dòng)耦合出現(xiàn)，主要是由于該橋采用自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)，主纜錨固于邊跨的混凝土梁上，主纜強(qiáng)大的軸向力導(dǎo)致主梁的剛度受到一定的折減。

（4）從第7階開始，該橋動(dòng)力特性主要表現(xiàn)為主纜的面內(nèi)面外振動(dòng)，主纜索面振動(dòng)類型復(fù)雜，且出現(xiàn)在主梁及主塔之后，表明主纜的整體剛度對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率貢獻(xiàn)較大。

4結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性參數(shù)分析

為進(jìn)一步明確該寬幅雙混合梁獨(dú)塔自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性規(guī)律，考慮到施工誤差容易引起橋梁材料參數(shù)及幾何參數(shù)的變化，本次針對(duì)該懸索橋在吊桿剛度、主纜剛度、主梁剛度及恒載集度等因素變化下的橋梁動(dòng)力特性的變化規(guī)律，選取橋梁典型模態(tài)f1、模態(tài)f4、模態(tài)f6、模態(tài)f9進(jìn)行對(duì)比分析。

4.1吊桿及主纜剛度對(duì)動(dòng)力特性的影響

為考察吊桿及主纜剛度對(duì)該寬幅雙混合梁獨(dú)塔自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響規(guī)律，以原計(jì)算模型為基準(zhǔn)模型，通過將吊桿及主纜的剛度分別進(jìn)行縮放后計(jì)算橋梁的動(dòng)力特性，縮放倍率為0.5、0.75、1.0（基準(zhǔn)模型）、1.25、1.50。經(jīng)計(jì)算，不同吊桿剛度及主纜剛度下橋梁的動(dòng)力特性分別如圖4、圖5所示。

由圖4可知，在不同吊桿剛度下，主梁縱向漂移（模態(tài)f1）及豎向彎曲（模態(tài)f6）、主塔向內(nèi)對(duì)稱彎曲（模態(tài)f4）、主纜同向橫彎（模態(tài)f9）頻率受到的影響較小，整體變化幅度 lt;0.5% 。分析可知，主要考慮到吊桿作為豎向的受力構(gòu)件，其側(cè)向的抗彎剛度對(duì)主梁及主纜約束有限，對(duì)該寬幅雙混合梁獨(dú)塔自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性貢獻(xiàn)有限，可忽略不計(jì)。

由圖5可知，隨著主纜剛度倍率從0.5變化至1.5時(shí)，模態(tài)f1和模態(tài)f9的頻率有一定的提高，模態(tài)f4和模態(tài)f6頻率變化不大；當(dāng)主纜剛度達(dá)到基準(zhǔn)模型的1.5倍時(shí)，f1和f9的頻率分別增大了 4.1% 及 2.0% 。經(jīng)分析可知，提高主纜的剛度有利于提高結(jié)構(gòu)的整體剛度，主要考慮該橋?yàn)樽藻^式結(jié)構(gòu)，主纜錨固于主梁內(nèi)部，相當(dāng)于從外部施加了一定的約束，實(shí)際分析時(shí)可以通過調(diào)整主纜的水平力來調(diào)整對(duì)主梁的影響，但整體影響結(jié)果有限。

4.2主梁剛度對(duì)動(dòng)力特性的影響

為考察主梁剛度對(duì)該寬幅雙混合梁獨(dú)塔自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響規(guī)律，以原計(jì)算模型為基準(zhǔn)模型，通過將主梁的剛度分別進(jìn)行縮放后計(jì)算橋梁的動(dòng)力特性，縮放倍率分別為0.5、0.75、1.0（基準(zhǔn)模型）、1.25、 經(jīng)計(jì)算，不同鋼箱梁剛度下橋梁的動(dòng)力特性如圖6所示，不同混凝土梁剛度下橋梁的動(dòng)力特性如圖7所示。

由圖6可知，隨著鋼箱梁主梁的剛度倍率從0.5變化至1.5倍時(shí)，模態(tài)f1和模態(tài)f6均有一定提高，模態(tài)f4和模態(tài)f9的振動(dòng)頻率變化不大。當(dāng)主梁鋼梁剛度達(dá)到基準(zhǔn)模型1.5時(shí)，模態(tài)f1和模態(tài)f6的頻率分別增大了7.8% 及 10.8% ，影響較大，說明主梁的剛度變化對(duì)該橋的縱向及豎向振動(dòng)影響較為明顯，隨著主梁鋼梁剛度的變化，對(duì)橋塔及主纜的振型基本沒有影響。

由圖7可知，隨著混凝土主梁的剛度倍率從0.5變化至1.5倍時(shí)，對(duì)模態(tài)f1、模態(tài)f6、模態(tài)f9的頻率影響有限，模態(tài)f4的頻率基本不變。當(dāng)混凝土主梁剛度達(dá)到基準(zhǔn)模型1.5時(shí)，模態(tài)f1和模態(tài)f6頻率分別增大了 0.55% 及 0.95% ，影響相對(duì)較小。綜合鋼箱梁主梁及混凝土主梁對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)頻率的影響分析，鋼箱梁主梁剛度的變化敏感性強(qiáng)于混凝土主梁剛度變化。

4.3結(jié)構(gòu)整體恒載集度

為考察恒載對(duì)該寬幅雙混合梁獨(dú)塔自錨式懸索橋的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響規(guī)律，以原計(jì)算模型為基準(zhǔn)模型，通過將結(jié)構(gòu)恒載分別進(jìn)行縮放后計(jì)算橋梁的動(dòng)力特性，縮放倍率分別為0.5、0.75、1.0（基準(zhǔn)模型）、1.25、1.50。經(jīng)計(jì)算，不同恒載集度下橋梁的動(dòng)力特性如圖8所示。

由圖8可知，隨著整體恒載集度的倍率從0.5變化至1.5時(shí)，該寬幅雙混合梁自錨式懸索橋各階自振頻率均明顯減小，且主梁振動(dòng)頻率減小的速率要強(qiáng)于主纜及主塔振動(dòng)頻率的速率。考慮到結(jié)構(gòu)恒載集度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)頻率影響主要為隨著荷載集度的增大，懸索橋各階頻率均呈減小趨勢，說明該自錨式懸索橋動(dòng)力特性受荷載敏感度強(qiáng)。進(jìn)一步分析荷載集度對(duì)自振頻率的影響，為保證該類型懸索橋的剛度，設(shè)計(jì)應(yīng)優(yōu)先選用高強(qiáng)度、輕質(zhì)量等材料減小結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)，同時(shí)施工時(shí)應(yīng)嚴(yán)格控制施工精度，減小鋼材超量或者混凝土超方帶來結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的變化。

5 結(jié)語

本文以某寬幅自錨式雙混合梁懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，介紹了橋梁總體信息及有限元模型，通過子空間選代法分析該橋的動(dòng)力特性，用參數(shù)分析方法，分析吊桿及主纜剛度、主梁剛度及恒載集度等結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)動(dòng)力特性的影響，結(jié)論如下：

（1）該寬幅獨(dú)塔雙混合梁自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)基頻為主梁縱向漂移，表明該橋縱向剛度較小，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橋梁的縱向振動(dòng)規(guī)律。橋梁第2階至第4階為主塔的橫向或者縱向振動(dòng)，橋梁主梁橫向及豎向振動(dòng)出現(xiàn)在第5階及第6階，表明整個(gè)橋梁振型排列較為合理，主纜強(qiáng)大的軸向力導(dǎo)致主梁的剛度受到一定的折減。

（2）參數(shù)分析表明，吊桿及主纜剛度對(duì)該橋自振頻率影響有限；鋼箱梁主梁及混凝土主梁剛度對(duì)該橋自振頻率有一定影響，且鋼箱梁主梁剛度的變化敏感性強(qiáng)于混凝土主梁剛度變化；該自錨式懸索橋動(dòng)力特性受荷載敏感度強(qiáng)，應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

（3）在混合梁自錨式懸索橋設(shè)計(jì)時(shí)，除優(yōu)先考慮混合梁結(jié)合面位置外，還應(yīng)重點(diǎn)選用高強(qiáng)輕質(zhì)材料、加強(qiáng)施工過程管理，通過合理有效的方案控制施工誤差，減小荷載誤差對(duì)橋梁動(dòng)力性能的影響。

（4）通過對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力參數(shù)的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力參數(shù)的變化不僅使橋梁本身的剛度發(fā)生變化，同時(shí)參數(shù)的變化容易引起振型分布的重組現(xiàn)象。

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