辛躍輝

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031

某連續(xù)梁拱橋設(shè)計(jì)參數(shù)研究

辛躍輝

中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031

以某連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立空間結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算并比較連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的自振特性，進(jìn)一步探討了橫撐剛度和拱肋截面形式對(duì)連續(xù)梁鋼管拱橋動(dòng)力特性的影響，為此類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

引言

連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋利用鋼管的套箍作用，使混凝土處于三向受力狀態(tài)，使其承載力大大提高，同時(shí)也能提高混凝土的塑性性能。另一方面，混凝土內(nèi)填于鋼管之內(nèi)，增強(qiáng)了鋼管的管壁穩(wěn)定性，剛度也遠(yuǎn)大于鋼結(jié)構(gòu)，使其整體穩(wěn)定性也有了極大的提高。[1]本文以某連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋?yàn)檠芯繉?duì)象，建立空間結(jié)構(gòu)模型，計(jì)算并比較連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的自振特性，進(jìn)一步探討了橫撐剛度和拱肋截面形式對(duì)連續(xù)梁鋼管拱橋自振特性的影響，為此類橋梁的設(shè)計(jì)提供參考。

1 有限元模型的建立

采用通用有限元軟件MIDAS建立本橋的空間有限元模型。梁、柱、拱、橫撐和吊桿均采用梁單元模擬。主梁通過支座與橋墩相連；梁－墩之間的約束關(guān)系可通過主從節(jié)點(diǎn)來方便地模擬。對(duì)于鋼管混凝土組合截面，按抗彎剛度等效的原則，計(jì)算組合截面的等效彈性模量[1]， 即

2 自振特性計(jì)算

2.1 基本方程

動(dòng)力分析的運(yùn)動(dòng)微分方程組[2]為：

2.2 結(jié)果及分析[3]

（1）該橋第一階振型為拱對(duì)稱橫振，表明拱的面內(nèi)剛度大于面外剛度。因?yàn)楣袄呙鎯?nèi)振動(dòng)要引起主梁的振動(dòng)，所以阻力大，頻率高，面內(nèi)振型出現(xiàn)晚于面外振型；（2）連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的面外基頻比面內(nèi)基頻低，說明該類橋梁的橫向剛度比較小，因此連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的橫向穩(wěn)定性問題不容忽視

3 結(jié)構(gòu)自振特性參數(shù)分析

3.1 橫撐的影響[3]～[5]

為了研究某連續(xù)梁鋼管拱混凝土橋橫撐對(duì)自振特性的影響，分別考慮了兩種情況：增加橫撐剛度和減少橫撐數(shù)量。其中增加橫撐剛度又分為剛度總體增加10%、拱腳處橫撐剛度增加10%以及拱頂處橫撐剛度增加10%三種情況；減少橫撐數(shù)量又分為減少靠近拱頂處的一對(duì)橫撐和減少靠近拱腳處的一對(duì)橫撐兩種情況，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 某連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋

由表1可以看出：

a)橫撐的數(shù)量和布置對(duì)面內(nèi)基頻影響不大；

b)拱腳處橫撐對(duì)結(jié)構(gòu)的面外基頻影響比拱頂處的大，因而拱腳處橫撐對(duì)結(jié)構(gòu)的橫向剛度影響比拱頂處的大。

3.2 拱肋的影響[3]

為了研究拱肋對(duì)自振特性的影響，分別考慮了改變鋼管拱厚度和鋼管拱半徑兩個(gè)方面，其中鋼管拱厚度由12mm變化到20mm，鋼管拱半徑由45cm變化到60cm。計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 拱肋對(duì)自振特性的影響

從表2可以看出，⑴增加鋼管拱厚度，某連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋面外基頻減少，但減少幅度不大；⑵增加鋼管拱半徑，某連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋面外基頻保持不變，面內(nèi)基頻減少；⑶不論是改變鋼管拱厚度還是改變鋼管拱半徑，目的都是為了改變鋼管拱的剛度，但鋼管拱剛度的變化對(duì)結(jié)構(gòu)的自振頻率的影響不大。因此，通過改變拱肋截面尺寸來改變自振頻率的效果不大。

4 結(jié)論

通過對(duì)某連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的分析比較可以得出以下結(jié)論：

1)連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋振動(dòng)基頻較小，小于傳統(tǒng)的鋼筋混凝土拱、石板拱等剛性拱橋，因此其動(dòng)力性能有其自身的特點(diǎn)；

2)連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋的面內(nèi)基頻比面外基頻大，因此拱的橫向穩(wěn)定性問題不容忽視；

3)連續(xù)梁鋼管混凝土拱橋受橫撐的結(jié)構(gòu)形式、布置以及剛度影響較大，尤其是橫向振動(dòng)，豎向振動(dòng)所受影響不明顯；

4)實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，拱肋剛度以滿足靜力性能為主。

[1] 陳寶春. 鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)與施工.北京：人民交通出版社.1999

[2] 李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng).北京：中國鐵道出版社.1992

[3] 陳水盛，陳寶春.鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性分析. 公路，2001（2）

[4] 李傳習(xí)，郭科. 南寧永和大橋動(dòng)力特性研究. 長沙理工大學(xué)學(xué)報(bào).2005（12）

[5] 歐碧峰，趙燦暉，樂建平. 大跨度鋼管混凝土拱橋的動(dòng)力特性分析.2005（6）

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.024

辛躍輝，女，1982年01月出生；籍貫：遼寧建昌；職稱：工程師；學(xué)歷：大學(xué)本科；研究方向：從事鐵路連續(xù)梁（剛構(gòu)）、鐵路連續(xù)梁-拱橋的研究。

自振特性；橫撐；拱肋；拱橋