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大跨連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂狀態(tài)動(dòng)力特性分析

趙海霞（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院，江蘇南京211156）

大跨連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工階段對(duì)風(fēng)荷載較為敏感，而動(dòng)力特性是抗風(fēng)分析的基礎(chǔ)。以十堰市將軍河漢江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用ANSYS軟件建立了最大懸臂狀態(tài)的有限元模型，采用Lanczos方法求得自振頻率和振型。計(jì)算結(jié)果表明，前兩階自振頻率遠(yuǎn)低于高階頻率，第一階振型為主梁繞墩梁結(jié)合處的橫向水平擺動(dòng)，第二階振型為橋墩側(cè)彎及主梁縱向擺動(dòng)。文章建模分析方法和研究結(jié)論可為同類橋梁提供參考。

連續(xù)剛構(gòu)橋；最大懸臂狀態(tài)；動(dòng)力特性；有限元模型；頻率；振型

1　概述

20世紀(jì)60年代，隨著預(yù)應(yīng)力技術(shù)的快速發(fā)展和懸臂施工技術(shù)的引進(jìn)，一種集連續(xù)梁橋大跨徑和T構(gòu)橋無(wú)支座特點(diǎn)的連續(xù)—?jiǎng)倶?gòu)體系應(yīng)運(yùn)而生。連續(xù)剛構(gòu)橋因能省去大噸位支座購(gòu)置和維護(hù)費(fèi)用、抗震性能好、橋面連續(xù)行車舒適度好以及無(wú)需體系轉(zhuǎn)換便于懸臂施工等優(yōu)點(diǎn)，是一種比較適合大跨度設(shè)計(jì)的橋型。20世紀(jì)60年代至今，世界各國(guó)建設(shè)了多座連續(xù)剛構(gòu)體系橋，其中以1985年澳大利亞建成的主跨為260m的門道橋和挪威1998年底建成的主跨為298m的Raft Sundet橋最為著名。

我國(guó)從1988年開(kāi)始從國(guó)外引進(jìn)連續(xù)剛構(gòu)橋建造技術(shù)，到1990年建成國(guó)內(nèi)第一座主跨為180m的連續(xù)剛構(gòu)橋——廣州洛溪大橋［1］。從1995年以來(lái)，我國(guó)已建成黃石長(zhǎng)江大橋、虎門大橋航道橋、江津長(zhǎng)江大橋、重新高家花園長(zhǎng)江大橋、四川瀘州長(zhǎng)江大橋、廣東南澳跨海大橋、四川馬鞍石嘉陵江大橋、蘇通大橋輔航道橋、重慶石板坡大橋復(fù)線橋等多座主跨超過(guò)200m的連續(xù)剛構(gòu)橋。其中1997年建成的主跨為270m的虎門大橋航道橋，是當(dāng)時(shí)我國(guó)主跨最大的連續(xù)剛構(gòu)橋，其跨徑為150m+270m+150m，該橋在預(yù)應(yīng)力束布置上，徹底取消了彎起束和連續(xù)束，僅在邊跨梁端有少量彎起?；㈤T大橋的建成標(biāo)志著我國(guó)在連續(xù)剛構(gòu)橋的設(shè)計(jì)施工處于世界領(lǐng)先水平。主跨330m的重慶石板坡大橋復(fù)線橋是目前世界上最大跨度的連續(xù)剛構(gòu)橋。

大跨高墩連續(xù)剛構(gòu)橋在我國(guó)目前主要分布在沿江沿海和山區(qū)峽谷地段，沿海沿江地區(qū)地形平坦開(kāi)闊，基本風(fēng)壓值大，特別是沿海地區(qū)還會(huì)受到臺(tái)風(fēng)的侵襲；而在山區(qū)峽谷地區(qū)，由于山口的“狹管效應(yīng)”和“放大效應(yīng)”，即使平坦地區(qū)的風(fēng)速很小，山口峽谷區(qū)的風(fēng)速也很大。大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在成橋階段剛度較大，具有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，而在最大懸臂施工階段，由于其高墩和長(zhǎng)懸臂的高輕柔特性，對(duì)風(fēng)荷載十分敏感［2-5］，故必須對(duì)其進(jìn)行抗風(fēng)分析，確保施工安全。

有限元模型是對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗風(fēng)分析的基礎(chǔ)，而結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，包括自振頻率和振型，則是表征結(jié)構(gòu)質(zhì)量與剛度及其分布的指標(biāo)，同時(shí)也對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的數(shù)值分析有重要的參考意義。本文以十堰市將軍河漢江大橋?yàn)楣こ瘫尘?，基于大型有限元通用軟件ANSYS，根據(jù)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇適當(dāng)?shù)膯卧愋?，建立了最大雙懸臂狀態(tài)的有限元模型；并進(jìn)行了動(dòng)力特性分析，獲得了大橋最大雙懸臂狀態(tài)的自振頻率和振型，并對(duì)動(dòng)力特性進(jìn)行了總體評(píng)價(jià)。本文的總結(jié)為十堰市將軍河漢江大橋的靜風(fēng)響應(yīng)分析和風(fēng)致抖振響應(yīng)分析奠定了基礎(chǔ)，可為同類橋梁提供參考。

2　工程概況

十堰市將軍河漢江大橋地處湖北省西北部，跨越漢江，是進(jìn)入湖北境內(nèi)漢江上的第一座橋梁，被譽(yù)為“楚天漢江第一橋”。該橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋，橋跨布置61m+110m+110m+61m（如圖1所示）。

圖1　十堰市將軍河漢江大橋橋型布置圖

橋梁上部結(jié)構(gòu)采用變截面連續(xù)箱梁，截面為單箱單室，箱梁頂板寬12m，底板寬6m，翼緣懸臂長(zhǎng)3m。箱梁支點(diǎn)處梁高為6m，跨中和邊跨現(xiàn)澆段梁高為2.6m，其間梁底下緣按R=388.80m圓曲線變化。箱梁根部頂板厚度為28cm，箱梁根部底板厚度為70cm，跨中為25cm，其間分段按圓曲線變化，腹板厚度為35cm～60cm。每橋墩墩頂箱梁設(shè)橫隔板2道，邊墩設(shè)橫隔板1道。

主墩為鋼筋混凝土雙薄壁墩，墩高22.7m～29m，承臺(tái)厚3.0m，橋墩基礎(chǔ)為4Φ2.0m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)18m。0號(hào)橋臺(tái)為明挖擴(kuò)大基礎(chǔ)接蓋梁形式；4號(hào)橋臺(tái)為肋板式橋臺(tái)，肋板厚1.2m，基礎(chǔ)為4Φ1.5m鉆孔灌注樁，樁長(zhǎng)25m。

十堰市將軍河漢江大橋所在區(qū)域兩山夾一江，為典型的峽谷地貌。由于橋址處峽谷的峽管效應(yīng)，風(fēng)速剖面分布較為復(fù)雜，橋面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速較高，達(dá)到29.4m/s。

3　有限元模型建立

對(duì)十堰市將軍河漢江大橋的力學(xué)分析是以建立在大型通用有限元軟件ANSYS平臺(tái)上的有限元模型為對(duì)象的。模型的建造以設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，最大程度地模擬實(shí)際狀況，從而保證良好的仿真效果。該橋T構(gòu)（圖2）有限元模型用以分析2號(hào)墩最大懸臂施工階段的力學(xué)特性。

圖2　最大懸臂施工階段有限元模型

具體而言，模型中的變截面箱梁、橋墩、承臺(tái)和樁基采用自定義截面的空間梁?jiǎn)卧狟EAM188建造。主梁、橋墩、承臺(tái)和樁基采用的材料均分別為C50、C40、C30和C25混凝土，彈性模量分別為3.5×104MPa、3.3×104MPa、3.0×104MPa和2.85×104MPa，泊松比皆取0.167。模型用LINK10模擬土彈簧，以計(jì)入樁周土層對(duì)樁基的作用。邊界條件是：樁底節(jié)點(diǎn)和土彈簧外節(jié)點(diǎn)固結(jié)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，該模型共有單元236個(gè)，節(jié)點(diǎn)243個(gè)，單元?jiǎng)澐执旨?xì)得當(dāng)，滿足分析要求。

4　動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性主要指固有頻率、振型和阻尼等，是結(jié)構(gòu)本身固有的。它們?nèi)Q于結(jié)構(gòu)的組成體系、剛度分布、質(zhì)量分布以及支承條件等。采用Lanczos方法分別對(duì)該橋最大懸臂狀態(tài)的特征方程進(jìn)行求解，求解時(shí)施行Sturm序列檢驗(yàn)，無(wú)模態(tài)丟失現(xiàn)象。計(jì)算獲得該橋最大懸臂狀態(tài)的自振頻率和振型分別見(jiàn)表1和圖3。

施工最大懸臂階段自振頻率和振型特征　表1

從以上最大雙懸臂施工階段前十階振型的結(jié)果可以看出：

①在最大雙懸臂階段，由于柔性主墩的扭轉(zhuǎn)剛度和橋墩的側(cè)彎剛度相對(duì)較小，加上該階段主梁繞墩梁結(jié)合處可以形成較大的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，因此第一和第二階振型分別為主梁繞墩梁結(jié)合處的橫向左右擺動(dòng)和橋墩側(cè)彎，主梁縱向擺動(dòng)。

②在最大雙懸臂階段，前兩階自振頻率分別為0.26280Hz和 0.33105Hz，而第三階自振頻率為0.72208Hz，說(shuō)明前兩階占有較大的優(yōu)勢(shì)。該階段第一階振型為主梁前后擺動(dòng)，說(shuō)明在此階段對(duì)橫橋向風(fēng)比較敏感，抗風(fēng)計(jì)算中應(yīng)加以注意。

圖3　最大懸臂狀態(tài)前十階振型圖

5　結(jié)語(yǔ)

本文結(jié)合連續(xù)剛構(gòu)橋建模方面的要求及十堰市將軍河漢江大橋的具體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用合適的單元類型，建立了十堰市將軍河漢江大橋最大雙懸臂階段的ANSYS有限元模型；并對(duì)大橋最大雙懸臂階段進(jìn)行了動(dòng)力特性分析。在此基礎(chǔ)上，對(duì)大橋最大雙懸臂階段的自振頻率和振型特點(diǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，為大橋的抗風(fēng)分析提供重要的信息和必要的研究基礎(chǔ)。

［1］馬保林.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］陳艾榮，項(xiàng)海帆.懸臂施工中的剛構(gòu)橋梁的風(fēng)荷載計(jì)算方法［J］.公路，1998（3）：7-10.

［3］劉健新，李加武.中國(guó)西部地區(qū)橋梁風(fēng)工程研究［J］.建筑科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2005（4）：32-39.

［4］李開(kāi)言.雙肢薄壁高墩剛構(gòu)橋懸臂施工穩(wěn)定性與風(fēng)效應(yīng)研究［D］.長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2005.

［5］司學(xué)通，郭文華.高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂階段風(fēng)致響應(yīng)及其對(duì)施工人員的影響［J］.鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2007（4）：17-22.

U448.23

A

1007-7359（2016）04-0172-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.068

趙海霞（1981-），女，畢業(yè)于西安建筑科技大學(xué)，碩士；講師，南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院土木工程教研室。