單索面公軌兩用鋼桁梁獨塔斜拉橋施工動力特性分析

胡玉梅　鄭慧君

摘要：運用有限元分析軟件ANSYS對重慶某大橋最大懸臂狀態進行了動力特性的數值模擬分析，得到了結構的自振頻率，并對其振型進行描述，對影響結構自振特性的因素進行了研究。結果表明，主梁剛度的增加有助于提高結構的扭轉剛度，增強結構的抗風穩定性。橋塔及斜拉索剛度的增加有助于提高結構的豎向彎曲剛度及側彎扭耦合剛度，斜拉索傾角對結構的整體剛度影響較大，輔助墩的設置位置對大橋的抗風穩定性產生較大影響。研究結果可以為同類橋梁在最大懸臂狀態的抗風及抗震設計提供參考。

關鍵詞：單索面鋼桁梁獨塔斜拉橋；ANSYS；最大懸臂狀態；動力特性；主梁；斜拉索

中圖分類號：TB

文獻標識碼：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.17.108

0引言

研究橋梁結構包括自振頻率、阻尼和主振型的自振特性是分析斜拉橋動力行為的基礎。結構的動力特性取決于結構的剛度、支撐條件和組成體系等。研究橋梁結構的動力特性對于橋梁結構的抗風穩定性分析、抗震設計、健康檢測和維護都有著重要的意義，同時也是判別橋梁結構是否完整的重要依據。

筆者以重慶市某大橋最大懸臂狀態為背景，運用有限元分析軟件ANSYS建立該橋的三維有限元模型，對其自振特性進行了分析。研究探討了單索面鋼桁梁獨塔斜拉橋最大懸臂狀態自振特性在參數影響下的一般規律，其結果可作為同類橋梁研究和設計工作的參考依據。

1工程背景

重慶某大橋南穿渝中區洪崖洞旁滄白路，跨嘉陵江，北接江北區江北城大街南路。主橋為單塔單索面鋼桁梁斜拉橋，跨徑布置為88m+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

建立與結構實際狀況相符的力學模型，是分析大橋在最大懸臂狀態的空間動力特性的基礎。計算模型力求在邊界條件、質量、剛度上的模擬與實際狀況相符。采用正確的單元來模擬斜拉橋各個主要組成構件是建立大橋最大懸臂狀態空間有限元模型的關鍵。因此在建立有限元模型時，將主要基于以下原則來選擇單元：（1）選取的單元必須能最大程度地模擬結構的受力特性；（2）必須保證計算結果具有足夠的精度；（3）有限元模型建立要盡量簡便，計算工作量要盡量小，進行結果處理時也要比較方便。

3動力特性分析

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

4結語

（1）單索面鋼桁梁斜拉橋最大懸臂狀態主要有橫向擺動、豎向擺動、扭轉振動、豎彎振動、側彎振動和耦合振動六種振動形式，后面的振型趨于復雜。主梁的豎向剛度大于其橫向剛度，扭轉剛度較小，屬于長周期結構，柔性較大。

（2）單索面鋼桁梁獨塔斜拉橋最大懸臂狀態動力特性的影響因素很多，包括構件剛度、邊界條件及斜拉索傾角等，這些參數值設計合理與否直接關系橋梁結構振動特性。

（3）構件剛度對單索面鋼桁梁斜拉橋最大懸臂狀態動力特性有著重要的影響，主梁有助于增強斜拉橋的扭轉剛度，因此提高主梁剛度有助于增強橋梁的抗風穩定性。斜拉索、橋塔和主梁的剛度增加都有助于提高結構的側彎扭剛度，但隨著橋塔剛度的增加，結構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結構主要振型自振頻率的影響均較小，可以忽略不計。

（5）斜拉索傾角的改變對結構扭轉振型的自振頻率影響較小，可以忽略不計。但是對斜拉索傾角的調整，對結構的豎向彎曲和側彎扭耦合影響較大，較大幅度地降低了結構的剛度，因此對斜拉索傾角的處理要格外謹慎。

（6）輔助墩位置移動對單索面鋼桁梁斜拉橋最大懸臂狀態的抗風穩定性影響較大，隨著輔助墩位置逐漸向江北區方向移動，結構1階扭轉頻率和1階豎向彎曲頻率的比值逐漸增大，使得橋梁發生震顫破壞的可能性增大。因而對輔助墩位置的設置需經過優化計算并結合工程實際情況。

參考文獻

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