范琴鋒

大跨徑系桿拱橋動(dòng)力特性參數(shù)分析

范琴鋒

以格丑溝特大橋主橋?yàn)楸尘?通過變化拱肋內(nèi)傾角和吊桿布置形式,應(yīng)用有限元分析程序 MIDAS進(jìn)行了動(dòng)力特性計(jì)算分析;計(jì)算結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)的橫向基頻隨著內(nèi)傾角的增大而增大,結(jié)構(gòu)剛度也逐漸增大;但在三種吊桿布置形式下,結(jié)構(gòu)橫向基頻無明顯變化。

鋼管混凝土,系桿拱橋,動(dòng)力特性

目前我國(guó)大力投資搞基礎(chǔ)建設(shè),橋梁的建設(shè)規(guī)模宏大,以緩解日益增加的交通壓力。新一輪的高速鐵路和城際輕軌的建設(shè)對(duì)橋型、橋?qū)?、橋跨、使用要求、荷載等級(jí)以及橋梁美學(xué)有更高的要求,而拱面的形式以及吊桿布置形式將會(huì)是當(dāng)前研究的熱點(diǎn)問題,有許多結(jié)構(gòu)方案提出了傾斜拱面加斜吊桿布置的結(jié)構(gòu)形式,希望以此提高結(jié)構(gòu)的整體剛度。文獻(xiàn)[1]對(duì)一座跨度 128m客運(yùn)專線剛系桿拱進(jìn)行了自振頻率及結(jié)構(gòu)參數(shù)研究。文獻(xiàn)[2]以廣深高速公路東莞段的一座 130m鋼管系桿拱橋的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案為對(duì)象,就該橋的整體穩(wěn)定屈曲特性和自振特性進(jìn)行了分析。本文以一孔跨度為 136m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋?yàn)閷?duì)象,針對(duì)拱面和吊桿布置形式等問題展開討論,通過變化結(jié)構(gòu)參數(shù)來分析結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性。

1 工程背景

紅柳林至神木西鐵路專用線格丑溝特大橋位于紅柳林至神木西新建鐵路線上,該橋?yàn)榭缭礁癯鬁霞?204國(guó)道而設(shè),主橋采用一孔 136m鋼管混凝土系桿橋跨越。該橋?yàn)閱尉€剛性系梁剛性拱橋,系梁與拱肋固接,整個(gè)結(jié)構(gòu)為內(nèi)部超靜定外部靜定?？鐝?L= 136m,全長(zhǎng) 139.6m,拱軸線采用二次拋物線,矢跨比為 f/L=1∶5,矢高為27.2m,理論拱軸線方程為Z=0.8X-0.005 882 353X2,拱肋采用外徑 110 cm壁厚 18mm的鋼管混凝土截面,上下兩拱肋中心距2.5m,拱肋截面高3.6m,上下拱肋之間采用厚 14 cm的腹板連接,腹板間距 65 cm,腹板間不灌注混凝土。拱肋之間共設(shè) 1組米字形橫撐、6道 K撐,每道橫撐均為空鋼管組成的桁式結(jié)構(gòu)。橫撐橫向鋼管外徑 600mm、K形鋼管外徑 450mm,壁厚均為12mm,拱肋上弦管橫撐及 K撐與下弦管橫撐及 K撐分別采用外徑29.9mm和24.5mm,壁厚為10mm的腹桿連接。全橋共設(shè)14對(duì)吊桿,吊點(diǎn)中心距 8m,每點(diǎn)吊桿為雙根 55-φ7平行鋼絲束組成,冷鑄鐓頭錨固,中心間距為 50 cm,系梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土簡(jiǎn)支箱梁,系梁橫截面為單箱雙室截面,高為 2.8 m,端部加高至3.3m;梁頂寬11.2m,底寬9.0m。系梁兩端設(shè)鑄鋼鉸支座與橋墩相連,一端固定一端滑動(dòng)。橋上為單線,設(shè)計(jì)活載為中—活載,設(shè)計(jì)行車速度為 80 km/h,地震基本烈度為6度,地震動(dòng)峰值加速度為0.05g。

2 內(nèi)傾角變化對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響

本文將通過有限元軟件對(duì)拱肋在不同內(nèi)傾角下進(jìn)行建模分析[3],計(jì)算分析拱肋在內(nèi)傾角變化時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的影響規(guī)律,從而確定動(dòng)力性能相對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式,文獻(xiàn)[4]通過一座鋼管混凝土拱橋的工程實(shí)例對(duì)此做了相關(guān)的分析工作。

通過有限元模型分析計(jì)算,得出的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性隨內(nèi)傾角變化(考慮到模型拱肋之間距離為 8m,內(nèi)傾角不能過大,取內(nèi)傾角從 0°變化到 6°)的統(tǒng)計(jì)圖表,如表1所示。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)果表

通過表 1可知,隨著內(nèi)傾角的增大,橫向基頻、豎向基頻和扭轉(zhuǎn)基頻都有不同程度的提高,說明隨著內(nèi)傾角的增大,結(jié)構(gòu)的總體剛度也隨之增大。由于本模型兩拱肋之間距離為 8m,在矢跨比一定的條件下,內(nèi)傾角不宜太大,對(duì)于內(nèi)傾角大于 6°的情況,可以參考文獻(xiàn)[5]。

3 吊桿布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響

本文將建立三個(gè)吊桿不同布置形式下的結(jié)構(gòu)模型,以此來研究吊桿不同布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響規(guī)律。

通過有限元模型的計(jì)算結(jié)果,給出吊桿不同布置形式下結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性結(jié)果表格,如表 2所示。

表2 吊桿不同布置形式下動(dòng)力特性表

通過對(duì)表 2中結(jié)果數(shù)據(jù)分析可知,在不同的吊桿布置形式下,結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性變化很大,斜吊桿和網(wǎng)狀吊桿布置形式下結(jié)構(gòu)的豎向基頻都比豎吊桿布置形式下要大,網(wǎng)狀吊桿布置形式下的豎向基頻比豎吊桿布置形式下的值提高了 51%,網(wǎng)狀吊桿布置形式下的扭轉(zhuǎn)基頻比豎吊桿布置形式下的值提高了 6%。但在三種吊桿布置形式下,結(jié)構(gòu)橫向基頻基本無變化,可以認(rèn)為吊桿布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)橫向剛度無影響。

4 結(jié)構(gòu)方案的比選

綜合前文得到的相關(guān)結(jié)論,通過對(duì)如下 6個(gè)結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行分析對(duì)比以找到動(dòng)力性能相對(duì)較優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案。

1)平行拱肋豎吊桿;2)平行拱肋斜吊桿;3)平行拱肋網(wǎng)狀吊桿;4)提籃拱肋豎吊桿;5)提籃拱肋斜吊桿;6)提籃拱肋網(wǎng)狀吊桿。

其中拱肋的內(nèi)傾角度為 6°,圖 1為不同方案下的有限元模型圖。

通過有限元程序分析計(jì)算得到的三種吊桿布置下結(jié)構(gòu)的各階自振頻率的列表如表3所示。

表3 結(jié)構(gòu)自振頻率表

通過表 3的計(jì)算結(jié)果可知,結(jié)構(gòu)的橫向基頻、豎向基頻和扭轉(zhuǎn)基頻最高的都是方案 6。從結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的角度來考慮,方案6可以更好地滿足橋梁對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力性能的要求,但方案 6的施工工藝較為復(fù)雜,在施工過程中拱肋的線形的控制難度大,稍有偏差,對(duì)成橋后結(jié)構(gòu)的整體受力影響很大。在其他條件相同的條件下,提籃拱網(wǎng)狀吊桿結(jié)構(gòu)具有更高的結(jié)構(gòu)剛度,在高速鐵路要求行車舒適的條件下,提籃拱的結(jié)構(gòu)體系方案中具有更大的優(yōu)勢(shì),文獻(xiàn)[6]研究了高速鐵路尼爾森拱橋車橋動(dòng)力特性,其結(jié)論與本文類似,文獻(xiàn)[7]也提出了類似觀點(diǎn)。

5 結(jié)語

1)內(nèi)傾角對(duì)橫向、豎向和扭轉(zhuǎn)基頻有著不同程度的影響,橫向基頻隨著內(nèi)傾角的增大而增大(本文只分析了在 0°～6°變化范圍內(nèi)),而對(duì)豎向基頻在內(nèi)傾角為 0°～4°范圍內(nèi)沒有什么變化,當(dāng)內(nèi)傾角為 6°時(shí),豎向頻率增大到 1.20。扭轉(zhuǎn)頻率在內(nèi)傾角為 0°～

2°時(shí)沒有變化,在內(nèi)傾角為 4°～6°時(shí)扭轉(zhuǎn)頻率有所增加。當(dāng)內(nèi)傾角為 6°時(shí),橫向、豎向和扭轉(zhuǎn)頻率都達(dá)到最大值,也說明此時(shí)結(jié)構(gòu)整體剛度最大。2)吊桿的布置形式對(duì)結(jié)構(gòu)的豎向和扭轉(zhuǎn)頻率有較大的影響,斜吊桿和網(wǎng)狀吊桿布置形式下結(jié)構(gòu)的豎向基頻都比豎吊桿布置形式下要大,但在三種吊桿布置形式下,結(jié)構(gòu)橫向基頻無變化。3)相對(duì)于豎吊桿和斜吊桿,尼爾森體系的提籃拱具有更好的動(dòng)力性能,在橋梁結(jié)構(gòu)要求較大的橫向、豎向、扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)可優(yōu)先考慮。4)從施工角度考慮,在結(jié)構(gòu)都滿足動(dòng)力特性的情況下,建議首先使用平行拱肋豎吊桿的結(jié)構(gòu)形式。

[1] 劉德軍,李小珍,司秀勇.客運(yùn)專線剛系桿拱橋自振特性及結(jié)構(gòu)參數(shù)研究[J].鐵路建筑,2007(4)：1-4.

[2] 劉世忠,歐陽永金,沈 波.鋼管系桿拱橋的整體穩(wěn)定性及自振特性分析[J].甘肅科學(xué)學(xué)報(bào),1994(1)：28-35.

[3] 于建華,謝用九.高等結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].成都：四川大學(xué)出版社,2001：45-75.

[4] 程海根,強(qiáng)士中.鋼管混凝土提籃拱動(dòng)力特性分析[J].公路交通科技,2002(6)：63-65.

[5] 何賡馀.高速鐵路系桿拱橋結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)參數(shù)研究[D].成都：西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2006.

[6] 吳定俊,王小松,項(xiàng)海帆.高速鐵路尼爾森拱橋車橋動(dòng)力特性[J].鐵道學(xué)報(bào),2003(6)：96-100.

[7] 張石波,裴若娟.淺談尼爾森體系的鋼管混凝土提籃拱在鐵路橋梁中的運(yùn)用前景[J].橋梁建設(shè),2001(1)：56-58.

Analysis on dynam ic characteristic parameter of large-span bowstring arch bridge

FAN Qin-feng

Takingmain Gechougou Bridge as the background,through changing the internal leaning angle of arch rib and suspender layout forms,it calculates and analyzes the dynamic characteristics by applying finite element analysis program MIDAS.The calculation results show that：the transverse fundamental frequency of the structure will increase with the internal leaning angle increasing,structure rigid will gradually amp lify,structural transverse fundamental frequency doesn't has obvious change under three suspender layout forms.

Concrete-Filled Steel Tubu lar(CFST),bowstring arch bridge,barbor engineering

U 448.225

A

1009-6825(2011)09-0196-02

2010-11-26

范琴鋒(1982-),男,助理工程師,中鐵四院集團(tuán)廣州設(shè)計(jì)院有限公司,廣東廣州 510600