王新澤

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

考慮樁-土作用下的大跨徑鋼管混凝土系桿拱橋動力特性研究

王新澤

（中鐵十八局集團第二工程有限公司，河北 唐山 063000）

以大跨徑鋼管混凝土系桿拱橋為研究對象，利用有限元軟件Midas Civil建立空間有限元模型，分別對該橋在考慮樁-土作用下和剛性地基假定下的動力特性進行了深入的研究，得到結(jié)論：在考慮樁-土作用時，該橋出現(xiàn)的振型特點主要為拱肋面外振動、拱肋面內(nèi)以及拱肋的空間扭轉(zhuǎn)振動3種振動形式，且隨著振型階數(shù)的增高，振動就越頻繁，振型就越顯復(fù)雜，還伴有耦合振型產(chǎn)生；該橋拱肋的橫向剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其豎向剛度以及抗扭剛度；最后將考慮樁-土作用和按剛性地基假定計算下結(jié)構(gòu)的自振特性進行對比可知，是否考慮樁-土作用對結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響較大，但是結(jié)構(gòu)的橫向剛度與豎向剛度之間的差距有所減小.

鋼管混凝土拱橋；有限元方法；樁-土作用；動力特性

鋼管混凝土拱橋具有承載能力高、跨越能力強、便于施工且抗震性能較好等優(yōu)點［1-5］，這就使得鋼管混凝土拱橋逐漸向大跨度方向發(fā)展.近年來，我國鋼管混凝土拱橋有了迅猛的發(fā)展，已成為世界上鋼管混凝土拱橋應(yīng)用最為廣泛的國家.但是鋼管混凝土拱橋在我國的使用時間很短，對其動力性能方面的研究十分缺少.又由于我國是一個地震多發(fā)的國家，使得許多鋼管混凝土拱橋要修建于地震多發(fā)的高烈度抗震設(shè)防區(qū)［6-9］，因此對其進行抗震分析等動力特性研究具有十分重要的意義.

1 工程概況

大跨徑鋼管混凝土拱橋，上部結(jié)構(gòu)為鋼管混凝土簡支拱.拱肋斷面采用啞鈴型鋼管混凝土等截面［10-14］（如圖1所示），截面高度h=2.5m，鋼管直徑為1.0，m，由20，mm厚的鋼板卷制而成，每根拱肋的兩鋼管之間用δ=16mm 的腹板連接；拱肋立面矢高19.2，m，拱肋采用二次拋物線，拱肋立面面內(nèi)方程為：y =76.8（96-x）x/962.拱肋在橫橋向內(nèi)傾8°，呈提籃式樣，拱頂處兩拱肋中心距8.058，m.拱管內(nèi)灌注C50補償收縮混凝土.拱肋之間設(shè)一道“一”字撐和四道“K”撐.“一”字撐采用外徑1.0，m的圓形鋼管組成，K撐采用外徑0.8，m的圓形鋼管組成，鋼管內(nèi)均不填充混凝土.主梁全長98，m，計算跨度95.7，m，采用C50混凝土，單箱三室預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面，跨中梁高2.50，m，端部梁高3.05，m，頂板厚0.35，m，底板厚0.35，m，邊腹板厚0.90，m，中腹板厚0.40，m.中橫隔厚0.40，m，端橫隔厚3.25，m，梁部截面尺寸如圖2所示.

圖1 啞鈴型拱肋截面圖

圖2 梁截面尺寸圖

2 模型的建立

利用有限元軟件Midas Civil對該橋建立空間有限元模型［15-16］，建模過程中用到的結(jié)構(gòu)材料參數(shù)見表1，有限元模型如圖3所示.

表1 所用材料特性

圖3 空間有限元模型

3 考慮樁-土作用下的結(jié)構(gòu)自振特性分析

取結(jié)構(gòu)的前十階振型，并將前十階固有頻率和振型特征列于表2.

表2 結(jié)構(gòu)前十階自振特性

通過分析表2中結(jié)構(gòu)前十階頻率以及振型特征，可以得出大跨徑鋼管混凝土拱橋的自振特性具有以下特點：

（1）該橋出現(xiàn)的振型特點主要為拱肋面外振動、拱肋面內(nèi)以及拱肋的空間扭轉(zhuǎn)振動3種振動形式，且隨著振型階數(shù)的增高，振動就越頻繁，振型就越顯復(fù)雜，還伴有耦合振型產(chǎn)生.

（2）該橋的一階振型特點為拱肋橫向一階彎曲，基頻為0.277，5，Hz，豎向彎曲振型的基頻為0.657，7，Hz，扭轉(zhuǎn)振型的基頻為1.255，0，Hz，頻率增幅分別為137%，和352%，這說明拱肋的橫向剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其豎向剛度以及抗扭剛度，所以對于鋼管混凝土拱橋的平面外穩(wěn)定性問題尤為突出.因此，在結(jié)構(gòu)設(shè)計時，應(yīng)盡量通過合理布置橫撐，增加橫撐數(shù)量以及增加拱肋剛度等措施來防止其發(fā)生平面外失穩(wěn).

（3）該橋的拱肋面外基頻為0.277，5，Hz，對于拱橋而言，自振頻率相對較小，這是因為該橋拱肋內(nèi)傾而使其橫向剛度增大，導(dǎo)致拱肋面外基頻相對較小.

（4）該橋前十階模態(tài)中，并未出現(xiàn)橋面主梁豎彎，這說明了該橋主梁的橫向剛度要遠(yuǎn)大于拱肋橫向剛度，該拱橋?qū)儆趧傂韵禇U柔性拱橋.

4 未考慮樁-土作用時的結(jié)構(gòu)自振特性分析

未考慮樁-土的相互作用，即按剛性地基假定對結(jié)構(gòu)進行自振特性分析.在利用有限元軟件MidasCivil建模過程中，忽略上部結(jié)構(gòu)與土的相互作用，取結(jié)構(gòu)前十階固有頻率和振型特征列于表3.

通過對結(jié)構(gòu)前十階振型的分析對比，并分別將考慮樁-土作用和按剛性地基假定計算的結(jié)構(gòu)自振特性進行對比，結(jié)果見表4.

表4 考慮樁-土作用與剛性地基假定下的結(jié)構(gòu)自振頻率比較 Hz

從表4中的數(shù)據(jù)可以得出：

（1）結(jié)構(gòu)考慮樁-土作用的一階頻率為0.277，5，Hz，而按剛性地基假定，未考慮樁-土之間相互作用的結(jié)構(gòu)一階頻率為0.286，1，Hz.這表明，在未考慮樁-土相互作用時本拱橋仍屬于剛性系桿柔性拱橋.

（2）按剛性地基假定計算結(jié)構(gòu)的自振特性，各階振動頻率均有所增加，結(jié)構(gòu)橫向頻率最大增幅12%，豎向頻率最大增幅18%，扭轉(zhuǎn)頻率最大增幅8.8%，.這表明，是否考慮樁-土作用對結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響較大.

（3）考慮樁-土作用時，結(jié)構(gòu)的橫向基頻占豎向基頻的41%，；而按剛性地基假定計算時，結(jié)構(gòu)的橫向基頻占豎向基頻的42%，.這表明，未考慮樁-土作用時，結(jié)構(gòu)的橫向剛度與豎向剛度之間的差距有所減小.

5 結(jié) 論

本文針對大跨徑鋼管混凝土系桿拱橋，利用Midas Civil建立空間有限元模型，分別對該橋在考慮樁-土作用下和剛性地基假定下的自振特性進行了詳細(xì)的分析，得到如下結(jié)論：

（1）該橋出現(xiàn)的振型特點主要為拱肋面外振動、拱肋面內(nèi)以及拱肋的空間扭轉(zhuǎn)振動3種振動形式，且隨著振型階數(shù)的增高，振動就越頻繁，振型就越顯復(fù)雜，還伴有耦合振型產(chǎn)生.

（2）該橋拱肋的橫向剛度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于其豎向剛度以及抗扭剛度.

（3）該橋的自振頻率相對較小，這是因為該橋拱肋內(nèi)傾而使其橫向剛度增大，導(dǎo)致拱肋面外基頻相對較小.

（4）該橋前十階模態(tài)中，并未出現(xiàn)橋面主梁豎彎，這說明了該橋主梁的橫向剛度要遠(yuǎn)大于拱肋橫向剛度，該拱橋?qū)儆趧傂韵禇U柔性拱橋.

（5）將考慮樁-土作用和按剛性地基假定計算下結(jié)構(gòu)的自振特性進行對比可以得出，在未考慮樁-土相互作用時本拱橋仍屬于剛性系桿柔性拱橋；并且是否考慮樁-土作用對結(jié)構(gòu)豎向剛度的影響較大，但是結(jié)構(gòu)的橫向剛度與豎向剛度之間的差距有所減小.

［1］陳寶春，楊亞林.鋼管混凝土拱橋調(diào)查與分析［J］.世界橋梁，2006，34（2）：73-77.

［2］陳寶春，楊亞林.鋼管混凝土上承式拱橋橋型分析［J］.公路，2006，2（2）：1-4.

［3］韓保勤.鋼管混凝土拱橋吊桿張拉方案比選［J］.橋梁建設(shè)，2015，45（1）：114-119.

［4］?AVOR Z，BLEIZIFFER J.From melan patent to arch bridges of 400，m spans ［C］//RADIC J，CHEN B.Long Arch Bridges.Zagreb：Secon Hdgk，2008：349-356.

［5］劉慧軍.大直徑鋼管混凝土頂升施工關(guān)鍵技術(shù)［J］.施工技術(shù)，2014，43（24）：89-93.

［6］謝 芳.鋼管混凝土異形柱力學(xué)性能分析與抗震性概述［J］.科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013，22：125-126.

［7］邱體軍，湯裕坤.系桿拱橋中吊桿張拉順序?qū)ο盗簝?nèi)力的影響分析［J］.工程與建設(shè)，2013，5：685-687.

［8］TUFEKCI E，DOGRUER O Y.Out-of-plane free vibration of a circular arch with uniform cross-section：exact solution ［J］.Journal of Sound and Vibration，2006，291（3）：525-538.

［9］郭 鑫，陽震宇，喬建東.基于ANSYS的鋼管混凝土拱橋抗震分析［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2003（4）：43-44.

［10］郭 剛，王一軍，陽震宇.鋼管混凝土拱橋反應(yīng)譜抗震分析［J］.華東交通大學(xué)學(xué)報，2003，20（4）：43-44.

［11］李靜斌，葛素娟，陳 淮.5跨連續(xù)中承式鋼管混凝土拱橋抗震性能分析［J］.世界地震工程，2005，21（3）：110-115.

［12］陳冠樺，盛興旺.湘潭湘江四橋建設(shè)概況［J］.公路，2008（1）：54-58.

［13］閆雪冰，臧如意.102 國道跨伊通河大橋抗震性能分析［J］.黑龍江科技信息，2009（35）：364-364.

［14］高晨珂，金 輝，徐 岳.中下承式鋼管混凝土拱橋吊桿更換的索力監(jiān)控［J］.中外公路，2014，34（1）：190-193.

［15］鄧江東，孫 卓，朱文正，等.鋼管混凝土橋墩地震響應(yīng)有限元分析［J］.廣州大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2014，13（6）：42-47.

［16］李永清，龍彬彬.鋼管混凝土拱橋拱肋少支架吊車安裝施工方法［J］.河南水利與南水北調(diào)，2014（12）：29-30.

Dynamic Characteristic Research of Long-span Concrete-filled Steel Tube Arch Bridge Considering the Effect of Piles and Soil

WANG Xinze
（The 2th Engineering Co.，Ltd of the 18th China Railway Construction Bureau，Tangshan 063000，Hebei，China）

With a long-span concrete-filled steel tube arch bridge as the research object，this study establishes a space finite element model using the finite element software Midas Civil，and conducts an in-depth research on the dynamic characteristics of the bridge under the effect of the piles and soil and the assumed rigid foundation，and then obtains the main vibration characteristics of the bridge in three vibration modes considering the pile soil interaction：out-of-the plane vibration of the arch rib，in-the-plane vibration of the arch rib and spatial torsional vibration of the arch rib；and with the increased number of modes of vibration，the more frequent of the vibration，the more complex the vibration type is，accompanied by the coupling mode；the lateral stiffness of the arch rib is far less than the vertical stiffness and torsional stiffness；finally，the research compares the calculation results of the natural vibration characteristics considering the pile and soil interaction and under the assumed rigid foundation structure，and finds that whether or not to consider the effect of pile-soil interaction has a great influence on the vertical stiffness of the structure，but the gap between the structure of the lateral stiffness and the vertical stiffness decreases.

concrete-filled steel tube arch bridge；finite element method；soil-pile interaction；dynamic characteristic

U448.225

A

2095-719X（2016）04-0269-04

2015-06-18；

2015-06-24

住建部科學(xué)技術(shù)項目（2015-K3-021）；天津市自然科學(xué)基金項目（13JCYBJC19600）；天津市交通運輸委員會科技項目（2014-23）

王新澤（1984—），男，甘肅靜寧人，中鐵十八局集團第二工程有限公司工程師.