賀玉娥

(貴州省銅仁公路勘察設(shè)計(jì)院)

鋼管混凝土拱連續(xù)梁橋的動(dòng)力特性探析

賀玉娥

(貴州省銅仁公路勘察設(shè)計(jì)院)

主要是結(jié)合實(shí)際的例子并通過三維有限元模型的建立來對(duì)其動(dòng)力特性展開了說明和分析，并在此基礎(chǔ)之上對(duì)結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響展開了分析和探討，并合理指導(dǎo)該類型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，這樣一種設(shè)計(jì)和說明都是具有實(shí)際的意義。

鋼管混凝土連續(xù)梁橋;動(dòng)力特性;有限元

1 背景簡介

在現(xiàn)代的橋梁建設(shè)環(huán)境下，因其固有的特質(zhì)和需要，使得橋梁建設(shè)的跨度始終不斷增大，還具有輕薄化的趨勢(shì)，在這樣一個(gè)過程當(dāng)中，人們逐漸開始關(guān)注大跨度鋼管混凝土拱連續(xù)梁橋的抗震、抗風(fēng)以及車輛載荷沖擊振動(dòng)等一系列的動(dòng)力問題，這主要是因?yàn)檫@樣一系列的動(dòng)力特性問題對(duì)于整個(gè)橋梁安全性能以及使用性能都有著較大的影響。在實(shí)際的工程條件下，橋梁的動(dòng)力性能主要是取決于橋跨結(jié)構(gòu)的組成體系以及各個(gè)構(gòu)件的實(shí)際剛度，除此之外，橋梁本身的質(zhì)量分布以及支撐條件也會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的影響，正是因?yàn)檫@樣，我們才需要切實(shí)的對(duì)鋼管混凝土拱橋進(jìn)行必要的參數(shù)分析，以此來最大程度的認(rèn)識(shí)和了解各種參數(shù)對(duì)于不同橋型動(dòng)力性能的實(shí)際影響，以此來較好的指導(dǎo)該類型橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。

2 有限元模型及荷載簡介

橋梁的自振特性是由其結(jié)構(gòu)的組成體系、剛度、質(zhì)量分布以及約束條件等一系列的因素所共同決定的，正是因?yàn)檫@樣，我們?cè)谶M(jìn)行其結(jié)構(gòu)計(jì)算模型的構(gòu)建和模擬時(shí)就需要切實(shí)的注意其剛度、質(zhì)量以及邊界條件的模擬，實(shí)際上，也正是這樣三種因素的共同作用直接性的決定了結(jié)構(gòu)的特性，下文中將結(jié)合具體的內(nèi)容來對(duì)這樣三種因素模擬的要點(diǎn)展開說明和分析。結(jié)構(gòu)的剛度模擬主要就是模擬其桿件的軸向剛度、彎曲剛度、剪切剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度，有的時(shí)候甚至還需要模擬其翹曲剛度或者是桿件之間的連接剛度;而結(jié)構(gòu)的質(zhì)量模擬則更多強(qiáng)調(diào)的是桿件平動(dòng)質(zhì)量以及轉(zhuǎn)動(dòng)質(zhì)量的模擬;邊界模擬則是強(qiáng)調(diào)其與支撐條件之間的相符程度以及協(xié)調(diào)性。

鋼管混凝土拱橋本身的結(jié)構(gòu)形式較為復(fù)雜，因此在本文中就將建立起一種有限元橋梁模式，通過對(duì)拱肋、主箱梁、橋墩以及橫撐等采用空間梁單元建模。通過動(dòng)力學(xué)勢(shì)能的駐值原理來建立起橋梁剛度、質(zhì)量以及阻尼的矩陣從而得到我們所需要的動(dòng)力平衡方程。下文中將進(jìn)行進(jìn)一步的分析、說明和介紹。

3 動(dòng)力特性分析

在對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度以及質(zhì)量進(jìn)行分析時(shí)，自振頻率實(shí)際上是一個(gè)非常重要的指標(biāo)，這主要是因?yàn)樽哉耦l率是橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力分析的必要基礎(chǔ)之一。主振型主要決定的是結(jié)構(gòu)動(dòng)力相應(yīng)狀態(tài)發(fā)生的狀況，在實(shí)際進(jìn)行模擬操作的時(shí)候，可以根據(jù)已經(jīng)建立起來的計(jì)算機(jī)模型并利用子空間迭代法來對(duì)橋梁前階段中的自振頻率以及振型進(jìn)行分析，并在此過程中進(jìn)行振型特征的說明和分析。一般來說，橋跨結(jié)構(gòu)面外的橫向振動(dòng)影響要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于面內(nèi)豎向振動(dòng)影響，這也正是鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)的共性所在。

4 橋梁動(dòng)力特性影響因素分析

4.1 橫撐布置對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響分析

在不改變橫撐截面尺寸以及材料特性的情況下我們可以考慮以下幾種模型：一是直接采用全橋設(shè)置橫撐的方案;二是采用去掉所有橫撐做成敞口拱的形式;三是去掉腳處橫撐保留其他全部橫撐的方案;四是保留腳處橫撐去掉其他全部橫撐的方案。在實(shí)際的工程環(huán)境下，橫撐的設(shè)置對(duì)于全橋的動(dòng)力特性影響還是非常之大的，橫撐的加設(shè)能夠極大程度的提高整個(gè)橋梁的外剛度;除此之外，橫撐設(shè)置的位置同樣是對(duì)橋梁的橫向剛度有較大影響，因此其在工程環(huán)境下的設(shè)置就需要根據(jù)實(shí)際需求來進(jìn)行。

4.2 主拱肋對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響分析

在對(duì)主拱肋對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響進(jìn)行分析時(shí)首先要保證其管材材料的性質(zhì)不發(fā)生改變，在此基礎(chǔ)之上還需要保證其鋼管的含鋼率在應(yīng)用的過程當(dāng)中不發(fā)生改變，在這樣一種狀況下來探討其方案。隨著肋拱截面面積的增大，橋梁的自振頻率也會(huì)相應(yīng)的增大，且其增大的程度還比較大，這就說明，在工程環(huán)境下是可以通過拱肋截面面積的增大來提高全橋的自振頻率的。

4.3 約束條件對(duì)橋梁動(dòng)力特性的影響

在橋梁動(dòng)力特性的模型當(dāng)中，其約束條件主要是：保持兩拱肋始終處于固結(jié)的狀態(tài)，而兩邊墩則采用鉸接的形式來對(duì)其橫向以及豎向的位移予以約束，中墩則采用單排的支座來約束其橫向以及豎向的位移。在這樣一種明確的約束條件控制作用下來對(duì)以下幾種具體的情況進(jìn)行說明和分析。一種就是原模型的約束邊墩方式不變，而兩中墩采用雙排支座;另一種就是在原模型約束的基礎(chǔ)上來約束兩中墩的縱向線位移。經(jīng)過實(shí)際的計(jì)算結(jié)果分析和對(duì)比發(fā)現(xiàn)，模型一說明雙排支座可以明顯提高整個(gè)橋梁的剛度，模型二的狀況對(duì)于橋梁豎向剛度的提升也有較大的作用和貢獻(xiàn)。

5 結(jié)論和建議

通過一系列的對(duì)鋼管混凝土連續(xù)梁橋的動(dòng)力特性分析提出了一下幾個(gè)方面的結(jié)論和建議：一是鋼管混凝土拱連續(xù)梁拱橋跨截面外的橫向振動(dòng)要明顯的強(qiáng)于截面內(nèi)的豎向振動(dòng)影響，除此之外，就是橋梁本身橫向剛度的問題也是非常之突出的，應(yīng)當(dāng)在實(shí)際的工程環(huán)境下得到足夠的關(guān)注和重視;二是在進(jìn)行變化設(shè)計(jì)參數(shù)的設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，橫撐的數(shù)目以及位置對(duì)于鋼管混凝土拱連續(xù)橋梁的自振特性影響比較大，尤其是在其跨中的時(shí)候就更加的明顯，正是因?yàn)檫@樣，我們可以通過橫撐數(shù)目的適當(dāng)增加來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)面外剛度的提升。主拱肋剛度的變化對(duì)于整體剛度的影響也比較大。最后一點(diǎn)就是從動(dòng)力性能的角度上來分析的話，對(duì)于鋼管混凝土拱連續(xù)梁橋來說雙排支座也優(yōu)于單排的支座。

［1］曾慶元.彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變值原理［J］.華中理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，(28).

［2］陳盛水，陳寶春.鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性分析［J］.公路，2001，(2).

［3］周勁草，嚴(yán)志剛，盛洪飛.大跨度中承式鋼管混凝土拱橋的面內(nèi)動(dòng)力特性分析［J］.公路交通科技，2005，(9).

［4］陳少峰.鋼管混凝土拱橋施工監(jiān)控方法研究及工程應(yīng)用［J］.北京工業(yè)大學(xué)出版社，2007.

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1008-3383(2012)11-0072-01

2012-06-11