關于某中承式系桿拱橋肋間橫梁聲響問題的分析

謝遠方

（中鐵上海設計院集團有限公司 江蘇省 南京市 210009）

摘 要：在中承式系桿拱橋結構中，肋間橫梁主要采用鋼結構形式，且工字型截面居多。但是隨著目前城市交通量的日益增加，車道越來越多，橋梁寬度也日益加大。肋間鋼橫梁的截面選擇以及其連接處的設計是否合理，成為日益突出的問題。結合某工程實例，對肋間鋼橫梁與小縱梁之間產生聲響的問題進行分析，進而對肋間鋼橫梁的優化設計方案進行深入探討。

關鍵詞：肋間鋼橫梁；聲響；原因分析

目前，國內中承式系桿拱橋多以吊桿橫梁受力為主，橋面系由吊桿橫梁、肋間橫梁、小縱梁和橋面板組成，橋面荷載由橋面板傳遞給橫梁，再傳遞給拱結構。該類型橋面結構受力明確，施工方便，但整體性較差，特別是肋間橫梁與小縱梁連接處的設計，處理不當將會對橋梁結構的安全和使用造成影響。結合工程實例，對設計中出現的肋間橫梁聲響問題進行分析，進而對相關問題進行深入探討。

1工程概況

本橋采用飛燕式鋼管混凝土拱橋，主橋全長180m，其具體孔跨布置為30m+120m+30m。主拱肋、邊拱肋橫橋向內傾9°。拱肋與橋面相交處設置肋間鋼橫梁。鋼橫梁采用工字型結構，其鋼板厚度為：頂、底板40mm，腹板28mm。橫梁結構圖見下圖：

2主要問題

當有重車通過橋梁時候，肋間鋼橫梁附近區域發出明顯的聲響。通過對橋面現場查勘，當重車通過時，橫梁頂面的伸縮縫有輕微的上下錯位現象，伸縮縫未損壞，橫梁頂面的橋面無明顯的裂縫。經判斷，可能是當有重車快速通過橋梁時，偏心荷載使肋間鋼橫梁發生豎向和水平方向振動，靠近橫梁跨中位置振幅偏大，使得小縱梁與橫梁活動鋼支座處出現相對水平位移，支座摩擦發出的聲音。

3 計算模型

為了檢算鋼橫梁在汽車荷載作用下的力學性能及動力性能，采用ANSYSY有限元軟件進行空間三維梁單元的模擬分析，并考慮剪切變形對結構的影響。主要考慮在恒載、單車道加載、四車道加載下結構的靜力計算及橫梁的動力特性計算和側傾屈曲分析。

4計算結果

4.1 靜力計算結果

由于肋間橫梁相臨的橫梁間距分別為5m和5.5m，作用在肋間橫梁上的不僅有豎向力，還有由于不等跨產生的扭矩。

恒載作用下：橫梁最大正應力位于梁端，值為57.4MPa；扭轉剪應力0.414MPa。

單車道活載作用下：橫梁跨中截面豎向最大位移2.7mm，翼緣橫向最大水平位移5.6mm；現場檢測橫梁中部底板豎向最大動撓度為3.4mm，檢測結果比理論計算結果偏大0.7mm，考慮現場檢測是在重車行駛的過程中進行的，車輛荷載的沖擊系數與計算采用的值不可能完全吻合，因此測結果與理論計算結果基本上吻合。

四車道活載作用下：橫梁跨中截面豎向最大位移15.3mm，翼緣橫向最大水平位移39.4mm。

在恒載和四車道活載作用下，橫梁正應力最大值出現于梁端，最大正應力為172MPa；依據《鐵路橋梁鋼結構設計規范》（TB10002.2-2005）第4.2條計算可得肋間橫梁容許應力折減系數為0.9，容許應力為： 180MPa。橫梁最大正應力172MPa，小于規范容許應力值180MPa，滿足規范要求。

橫梁最大剪應力位于梁端腹板的中部，腹板最大剪應力為40.5MPa，小于規范限值120MPa，滿足規范要求。

4.2 動力特性

肋間橫梁前五階自振頻率見表1：

橫梁前五階模態見圖4：

（a）一階振型 （b）二階振型

（c）三階振型 （d）四階振型

（e）五階振型

由振型圖可以看出，橫梁前兩階振型是橫梁橫向彎曲和扭轉，對應頻率分別為3.38Hz和4.25Hz。

肋間橫梁現場實測表明，橫梁一階振型為順橋向彎曲，即橫梁側向彎曲，一階振型與理論計算結果一致；現場實測橫梁一階側向彎曲頻率為2.25Hz，理論計算橫梁一階側向彎曲頻率為3.38Hz。橫梁實測頻率見下圖：

4.3 側傾屈曲分析

梁的側傾屈曲也稱為梁的彎扭屈曲。求解彎扭屈曲時，恒載保持不變，活載橫向按跨中布四道考慮，縱向按偏載加載模式布置。邊界條件為梁端固結。計算屈曲模態如圖6。

從屈曲模態可以看出，肋間橫梁的一階屈曲為彎扭屈曲。屈曲荷載系數為4.58；即在恒載和四輛重車同作用下，橫梁不會發生側傾屈曲。橫梁在恒載和四輛重車共同作用下的安全系數為4.58。

4.4 處理方案

經檢算，鋼橫梁在設計荷載作用下，結構強度和穩定均滿足規范要求，結構是安全的。

為了消除聲響采取以下措施：增設橫梁側向支撐，從而減少橫梁計算長度，改善橫梁動力特性。具體方法是將邊跨側小縱梁與鋼橫梁固結，限制橫梁側向位移，取消鋼橫梁上伸縮縫，改至橋臺處，以減少跳車對鋼橫梁的影響。設置橫向支撐后的肋間橫梁前五階自振頻率見表2。

設置側向支撐后的，原來的第一階側彎振型變為扭轉振型，一階扭轉頻率是3.99Hz，橫梁一階側彎出現在第五階振型，頻率為22.62Hz，較大的改善了鋼橫梁的動力特性。

5結論

綜合分析，本橋結構設計上是安全可靠的。此次出現鋼橫梁與小縱梁摩擦聲響的問題，雖然不影響結構使用，但是對如何完善此類橋梁設計，避免類似情況發生，以免給社會造成不必要的影響，還有很多方面需要我們在設計過程中給予充分重視。

（1）關于鋼橫梁的截面形式的選擇，箱型截面的側向剛度明顯由于工字型截面，抗扭性能更優；

（2）小縱梁與鋼橫梁之間細部構造處理，不能簡單的按照鉸接處理，因結合橋面寬度、結構體系，綜合考慮其連接形式；

（3）伸縮縫得設置，應盡量避免直接在鋼橫梁上設置伸縮縫；

（4）對于此類城市橋梁設計，由于橋面很寬，設計時應充分考慮超載車輛的影響，同時，該類橋梁宜設置警示標志，嚴禁超載限載車輛通過。

參考文獻

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