羅聰輝

（廣東佛盈匯建工程管理有限公司，廣東佛山 528000）

0 引言

下承式鋼管混凝土系桿拱橋以拱肋、吊桿、系桿及橋面系組成的組合結(jié)構(gòu)橋梁，是一種外部靜定、內(nèi)部超靜定的特殊結(jié)構(gòu)，具有受力合理、造型美觀、地基適應(yīng)能力強(qiáng)、跨越能力大的特點[1]。吊桿在下承式鋼管混凝土系桿拱橋中占有舉足輕重的位置，如四川、福建等地就發(fā)生過吊桿斷裂導(dǎo)致拱橋發(fā)生不同程度破壞的案例。陳舟等[2]通過有限元軟件建立提籃拱橋的空間模型，分析結(jié)構(gòu)前六級自振頻率以及鋼管直徑、壁厚的改變對結(jié)構(gòu)自振頻率的影響。吳慶雄等[3]通過有限元軟件模擬鋼管混凝土拱橋，討論主拱跨徑、主拱截面及主梁結(jié)構(gòu)等方面拱橋面內(nèi)振動模態(tài)的特性。劉伯棟[4]等通過有限元軟件對鋼管混凝土拱橋進(jìn)行自振特性的分析，比較全面地反映了結(jié)構(gòu)的振型。吊桿是拱橋中受外界影響比較大的構(gòu)件，在遭遇突發(fā)情況（如撞擊）、疲勞損傷及銹蝕等情況下，容易出現(xiàn)吊桿斷裂現(xiàn)象，可能導(dǎo)致拱橋不同程度的破壞[5]。下承式鋼管混凝土拱橋短吊桿處變形適應(yīng)能力小，反復(fù)的變形增加了短吊桿的疲勞，容易導(dǎo)致短吊桿的斷裂[6]。吳慶雄等[7]通過接觸碰撞的方式模擬吊桿斷裂，分析拱橋各構(gòu)件在吊桿斷裂前后的變化及吊桿斷裂引起的結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)。

本文以跨徑為80 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為例，采用MIDAS/Civil有限元軟件建立空間模型進(jìn)行分析，得到橋梁的自振頻率，并討論不同吊桿斷裂情況下對拱橋結(jié)構(gòu)自振特性的影響。

1 工程實例

某下承式鋼管混凝土系桿拱橋梁體全長83.2 m，橋面總寬15.5 m，拱角附近加寬至16.9 m。跨中縱梁高度2.4 m，設(shè)雙線鐵路，擋碴墻內(nèi)側(cè)凈寬為9.0 m。主跨為83 m的鋼筋混凝土簡支拱，主拱計算跨度80 m，矢跨比1/5，拱肋軸線為二次拋物線。此80 m雙線簡支組合拱梁兩側(cè)分別為32.6m簡支梁和16.6m簡支梁，兩拱肋之間共設(shè)3道橫撐。主梁及拱腳混凝土強(qiáng)度等級為C50，拱腳鋼混過渡段中采用強(qiáng)度等級為C50自密實混凝土，封端采用強(qiáng)度等級為C50的補(bǔ)償收縮混凝土?？v向預(yù)應(yīng)力體系：預(yù)應(yīng)力鋼絞線采用1X7-15.2-1860預(yù)應(yīng)力鋼絞線，后張法，錨群體系，屬波紋管管道，吊索采用型號PES7-121-φ7低應(yīng)力防腐索體鋼絲。主拱橫撐的材質(zhì)一般地區(qū)選用Q345qD鋼材，吊桿套筒選用Q345B鋼材，其他輔助材料選用Q235C鋼材，支座采用橋梁球型鋼支座。橋梁立面見圖1；吊桿編號從左到右依次增大，見圖2。

2 有限元建模

采用有限元軟件MIDAS/Civil建立空間模型（見圖3），其中吊桿采用僅受拉桁架單元模擬，其余 構(gòu)件采用梁單元模擬，全橋受拉桁架單元22個，梁單元305個，節(jié)點259個。

圖1 橋梁立面圖（單位:mm）

圖2 吊桿編號圖

圖3 全橋模型

3 動力特性分析

通過建立不同施工階段模擬吊桿斷裂的情況，采用Lanczos方法、振型設(shè)置為6階提取模態(tài)。由于篇幅原因，這里僅展示吊桿未斷裂和6號吊桿斷裂工況下的模態(tài)圖。

（1）由表1可以看出吊桿未斷裂的振型特點，隨著自振頻率的增大，結(jié)構(gòu)變形比較復(fù)雜，由簡單的彎曲到彎曲加扭轉(zhuǎn)，變形先主梁后拱肋，先橫向后豎向；不同工況下結(jié)構(gòu)自振頻率見表2。

表1 吊桿未斷裂前結(jié)構(gòu)自振頻率

（2）由圖4～圖15可以看出吊桿未斷裂的模態(tài)與吊桿斷裂的模態(tài)沒有差別；

圖4 吊桿未斷裂一階模態(tài)

圖5 吊桿斷裂一階模態(tài)

圖6 吊桿未斷裂二階模態(tài)

表2 不同工況下結(jié)構(gòu)自振頻率

圖7 吊桿斷裂二階模態(tài)

圖8 吊桿未斷裂三階模態(tài)

圖9 吊桿斷裂三階模態(tài)

圖10 吊桿未斷裂四階模態(tài)

圖11 吊桿斷裂四階模態(tài)

圖12 吊桿未斷裂五階模態(tài)

圖13 吊桿斷裂五階模態(tài)

圖14 吊桿未斷裂六階模態(tài)

圖15 吊桿斷裂六階模態(tài)

（3）由圖16可以看出不同工況下結(jié)構(gòu)自振頻率的變化，每個工況的自振頻率相差較小，只有每個工況下自振頻率變化不大，說明吊桿斷裂對主梁豎向剛度影響不明顯；

圖16 同階次不同工況下結(jié)構(gòu)自振頻率

圖17 不同工況下同階次結(jié)構(gòu)自振頻率

（4）由圖17可以看出結(jié)構(gòu)的自振頻率隨著斷裂吊桿長度的增長而減小。

4 結(jié)語

本文以跨徑為80 m的下承式鋼管混凝土系桿拱橋為例，利用模型計算出不同工況下的六階自振頻率，通過對比分析得出，不同吊桿斷裂對結(jié)構(gòu)模態(tài)的影響較小，對主梁豎向剛度影響比較明顯，且結(jié)構(gòu)的自振頻率隨著斷裂吊桿的增長而減小。

[1]徐 岳,朱紅亮,陳萬春,等.鋼管混凝土系桿拱橋[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2017.

[2]陳舟,高永輝,顏全勝,等.客運(yùn)專線提籃拱橋動力性能分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2011,11（1）:201-204.

[3]吳慶雄,黃宛昆,陳寶春.中、下承式鋼管混凝土拱橋面內(nèi)振動模態(tài)分析[J].工程力學(xué),2012,29（11）:221-227.

[4]劉伯棟,張觀眾.下承式鋼管混凝土拱橋自振特性研究[J].水利與建筑工程學(xué)報,2011,9（4）:133-137.

[5]郭志良.拱橋吊桿斷裂過程及對策研究[D].福建福州:福州大學(xué),2010.

[6]田春艷,劉勇,靳璞.下承式鋼管混凝土拱橋吊桿索力測試及分析[A].工程質(zhì)量學(xué)術(shù)交流會[C].2012,107-112.

[7]吳慶雄,余印根,陳寶春.下承式鋼管混凝土剛架系桿拱橋吊桿斷裂動力分析[J].振動與沖擊,2014,33（15）:144-149.