郭志豪 李之達(dá) 石 彬 王 戈

(1.武漢理工大學(xué)交通學(xué)院 武漢 430063; 2.河南省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 鄭州 450000)

隨著我國交通事業(yè)的蓬勃發(fā)展，橋梁越來越多地被用在公路建設(shè)中。由于簡支梁伸縮縫多，無法滿足車輛的高速行駛要求，連續(xù)現(xiàn)澆梁施工工藝復(fù)雜、工期長、造價(jià)高等因素使發(fā)展前景受限。人們便將簡支梁與連續(xù)梁的優(yōu)越性能結(jié)合在一起，在預(yù)制場將簡支梁批量預(yù)制，架設(shè)就位后在端部后澆混凝土形成連續(xù)結(jié)構(gòu)[1]。這種先簡支后連續(xù)梁梁以配筋少、外形美觀、伸縮縫少、行車舒適等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁建設(shè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋，按橋墩支座的有無分為有支座和無支座連續(xù)梁橋。有支座連續(xù)梁橋結(jié)構(gòu)受力明確，但需支座轉(zhuǎn)換，施工工藝復(fù)雜，濕接縫處剪力大。無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋是邊墩設(shè)置橡膠支座，中墩處通過墩頂?shù)臐窠涌p將簡支小箱梁與蓋梁固結(jié)起來；無支座連續(xù)梁橋無需更換支座，施工方便，連續(xù)處開裂后修補(bǔ)容易，濕接縫處剪力較小[2-3]。但無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋連接處受力復(fù)雜，其模態(tài)響應(yīng)也與有支座連續(xù)梁橋有區(qū)別，為了進(jìn)一步分析有無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋模態(tài)響應(yīng)的區(qū)別，對工程中的無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋進(jìn)行數(shù)值分析，對以后無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋發(fā)展具有一定價(jià)值。

1 工程概況

本文選用某長江大橋的一聯(lián)五跨預(yù)制小箱梁引橋特大橋作為工程依托。長江南岸引橋特大橋第二聯(lián)為5×30 m預(yù)制連續(xù)小箱梁。全橋采用雙幅設(shè)計(jì)，橋面寬度為2×凈11.75 m+0.5 m(中央分隔帶)。單幅橋由4片預(yù)制小箱梁通過濕接縫連接而成，橋面層包括8 cm厚C50混凝土現(xiàn)澆層和10 cm厚瀝青鋪裝；中墩處通過濕接縫將小箱梁與蓋梁固結(jié)起來；墩柱采用柱式橋墩，橋臺(tái)為樁柱式臺(tái)。橋梁主要技術(shù)指標(biāo)為：行車道數(shù)為雙向4車道，公路等級(jí)為高速公路，設(shè)計(jì)車速100 km/h，公路一級(jí)，設(shè)計(jì)洪水頻率為特大橋1/300，地震烈度為動(dòng)峰加速度0.05g。橋梁上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場見圖1。

圖1 橋梁上部結(jié)構(gòu)現(xiàn)場圖

2 有限元模型

運(yùn)用midas Civil有限元軟件，對模型進(jìn)行模態(tài)分析。對無支座連續(xù)梁橋，在蓋梁與小箱梁連接處設(shè)置彈性連接模擬方式，并于單支座同種模擬方式對比。本次計(jì)算使用空間梁格法，由于鋼筋及預(yù)應(yīng)力對模態(tài)分析影響較小，為了簡化模型方便計(jì)算，建模時(shí)未考慮鋼筋及預(yù)應(yīng)力作用[4-5]。全橋一共5跨，梁格模型共建立1 373個(gè)節(jié)點(diǎn)，1 324個(gè)單元。全橋模態(tài)計(jì)算模型見圖2。

圖2 全橋模態(tài)計(jì)算模型

3 邊界條件的模擬

對于彈性支座模型，橋梁墩柱與土壤的下部邊界模擬為固定支座，蓋梁與墩柱的連接為彈性連接中的剛性連接[6]；全橋支座設(shè)置為彈性連接中的一般連接，一般連接中將x，y，z方向的剛度及z軸的轉(zhuǎn)動(dòng)剛度設(shè)為無限大，其中無支座模型設(shè)置3排一般連接，有支座模型設(shè)置1排一般連接。具體布置見圖3。

圖3 彈性支座模型局部邊界條件

4 模型計(jì)算結(jié)果

采用子空間迭代法，分別對2種模型進(jìn)行模態(tài)分析，取2種模型的前5階自振頻率進(jìn)行比較，以下列出2種模型的模態(tài)計(jì)算結(jié)果，見表1。2種模型的前5階振型見圖4。

表1 前5階自振頻率對比

圖4 2種模型前5階振型圖

由以上結(jié)果可見，無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋的每階自振頻率都比有支座的稍大，這是由于去除支座后，預(yù)制小箱梁直接與蓋梁固結(jié)，使橋梁整體的剛度增大，因此，橋梁自振頻率增大；無支座第一階自振頻率比有支座第一階自振頻率高13.32%，隨著自振頻率階數(shù)增大，無支座自振頻率與有支座自振頻率差別逐漸縮小，說明有無支座在低頻影響較大，在高頻影響很小。

5 現(xiàn)場試驗(yàn)

現(xiàn)場脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)是在橋面無車輛荷載情況下，測量外界各種因素所引起的橋梁微小且不規(guī)則的振動(dòng)，然后進(jìn)行譜分析，最終得到橋梁結(jié)構(gòu)的基頻，本次試驗(yàn)主要測定橋梁的第一階自振頻率。

主橋測點(diǎn)布置為：于每跨4等分點(diǎn)處各布置1個(gè)豎向拾振器，拾振器布置見圖5。

圖5 脈動(dòng)拾振器縱向布置圖

經(jīng)現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)后，對振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行頻譜分析，得出圖6所示頻譜，由頻譜圖可得出該橋?qū)崪y第一階固頻為3.906 Hz，與計(jì)算第一階固頻3.921 6 Hz接近，體現(xiàn)對該橋有限元模擬的正確性，同時(shí)也表明該無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋的剛度滿足設(shè)計(jì)要求，橋梁的整體性良好。

圖6 脈動(dòng)測試頻譜分析

6 結(jié)論

1) 無支座簡支轉(zhuǎn)連續(xù)梁橋的自振頻率比有支座的稍大。

2) 在低頻階段，有無支座對自振頻率的影響較大，隨著階數(shù)的提高，有無支座對自振頻率的影響逐漸減小。

3) 通過現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)測結(jié)果與計(jì)算值有良好的吻合性，橋梁剛度滿足設(shè)計(jì)要求。