中圖分類(lèi)號(hào)：U448.52文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.026

文章編號(hào)：1673-4874（2025）01-0089-03

0 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)與發(fā)展，鋼管混凝土拱橋憑借著良好的力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性在國(guó)內(nèi)得到了大量應(yīng)用。平南三橋的成功建設(shè)，也正式宣告鋼管混凝土拱橋的跨度即將邁入600m級(jí)。然而隨著拱橋不斷朝大跨、輕柔方向發(fā)展1，自然災(zāi)害如地震、風(fēng)振引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)力問(wèn)題已不容忽視。

目前，國(guó)內(nèi)已有相關(guān)學(xué)者針對(duì)鋼管混凝土拱橋動(dòng)力性能方面開(kāi)展了研究。曾勇等2以合江長(zhǎng)江一橋?yàn)槔肁NSYS有限元軟件建立了塔一索一拱一體化的動(dòng)力特性分析模型，研究表明由于塔架、扣索以及主拱之間存在耦合關(guān)系，一體化建模才能最真實(shí)反映大橋施工階段的動(dòng)力特性；秦世強(qiáng)等3依托某連續(xù)鋼構(gòu)一鋼管混凝土拱組合結(jié)構(gòu)，研究了大橋在列車(chē)荷載下的動(dòng)力特性，認(rèn)為相較于主梁結(jié)構(gòu)，柔性拱肋設(shè)計(jì)可使橋梁具有更好的動(dòng)力特性；周朝泳4基于ABAQUS有限元軟件，研究了某系桿拱橋橋面不平順對(duì)橋梁動(dòng)撓度的影響，結(jié)果表明橋面激振頻率與橋梁基頻越接近，系桿拱橋動(dòng)撓度值越大；吳燦等5以金沙江大橋?yàn)槔?，分析了啞鈴型截面鋼管混凝土拱橋的?dòng)力特性，研究表明臨近拱腳位置設(shè)置橫撐，可顯著提高拱肋的剛度和增大橋梁的整體穩(wěn)定性；吳梅容等還進(jìn)一步探討了矢跨比和寬跨比對(duì)無(wú)推力拱橋動(dòng)力特性的影響，研究表明在常用取值范圍內(nèi)，矢跨比和寬跨比改變對(duì)無(wú)推力拱橋動(dòng)力特性影響較小。

綜上所述，上述學(xué)者對(duì)鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性進(jìn)行了多方面研究與探討，也取得了顯著的成果。但不足的是，少有學(xué)者針對(duì)如提籃拱橋這類(lèi)空間異形結(jié)構(gòu)進(jìn)行過(guò)系統(tǒng)研究，特別是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)差異對(duì)自身動(dòng)力性能的影響。鑒于此，本文以某主跨為360m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋?yàn)榱校肕idasCivil軟件建立大橋仿真分析模型，探討分析拱肋內(nèi)傾角變化、橫撐剛度變化以及吊桿失效對(duì)結(jié)構(gòu)自身動(dòng)力特性的影響，為類(lèi)似橋梁設(shè)計(jì)和施工提供參考。

1工程概況

某鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)為拱肋內(nèi)傾角為 的提籃式拱橋，拱肋采用四肢變截面空間桁架結(jié)構(gòu)，主跨為 ，計(jì)算跨徑為 ，矢跨比為1/4.533，主拱軸線為懸鏈線。拱肋弦管采用 種類(lèi)型，壁厚由拱腳到拱頂依次減小過(guò)渡。大橋主弦管采用Q345qc材料，管內(nèi)混凝土采用C60自密實(shí)混凝土。

2基準(zhǔn)有限元模型的建立

利用MidasCivil軟件建立大橋仿真分析模型，除橋面板采用板單元模擬以及吊桿采用桁架單元模擬外，其余結(jié)構(gòu)均采用空間梁?jiǎn)卧M。其中，鋼一混組合截面采用施工階段聯(lián)合截面模擬，中央防撞護(hù)欄、人行道護(hù)欄以及橋面鋪裝分別采用梁?jiǎn)卧兔婧奢d等效施加，模型考慮十年期收縮徐變，特性向量采用子空間迭代。大橋拱腳采用全固結(jié)約束。結(jié)構(gòu)離散共計(jì)3824個(gè)節(jié)點(diǎn)和5672個(gè)單元。有限元仿真模型如圖1所示。

3結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

3.1拱肋內(nèi)傾角影響分析

根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)對(duì)拱橋合理內(nèi)傾角的研究，本文主要選取拱肋內(nèi)傾角分別為 以及 三種工況進(jìn)行分析，其中角度變化時(shí)對(duì)有限元模型做出以下基本假定：（1）僅改變拱肋中心距，拱肋鉸中心距保持不變；（2）邊界條件以及荷載保持變化；（3）拱肋間橫向聯(lián)系不變。在上述不同內(nèi)傾角下，計(jì)算得到大橋前5階結(jié)構(gòu)自振頻率，結(jié)果如表1所示。

如表1所示，不同內(nèi)傾角下結(jié)構(gòu)前5階自振頻率和振型特征計(jì)算結(jié)果可分析得到：

（1）拱肋內(nèi)傾角變化對(duì)結(jié)構(gòu)振型特征影響較小，主要是由于拱肋內(nèi)傾角變化并未顯著改變結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣的整體剛度矩陣；同時(shí)結(jié)構(gòu)振型序列并未提前發(fā)生，可見(jiàn)大橋橫撐設(shè)計(jì)整體較為強(qiáng)大，可適當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

（2）伴隨內(nèi)傾角的增大，拱肋低階自振頻率得到了顯著提高，這主要得益于橫撐長(zhǎng)度縮短有效增大了橫撐對(duì)拱肋的約束效應(yīng)，可見(jiàn)內(nèi)傾角的設(shè)置能有效增大拱肋剛度，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

（3）拱肋4階振型表現(xiàn)形式為面外扭轉(zhuǎn)，與前者不同的是，內(nèi)傾角的增加使得結(jié)構(gòu)自振頻率由0.6919Hz降低到了0.6838Hz，可見(jiàn)拱肋內(nèi)傾的同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)也更加不利，內(nèi)傾角的合理取值需綜合進(jìn)行考慮。

3.2橫撐剛度影響分析

對(duì)于鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性分析而言，目前已有較多文獻(xiàn)[8-10]針對(duì)橫撐形式如“△”撐、“X\"撐、“一”字撐及“米”字撐進(jìn)行過(guò)對(duì)比分析，也取得了一些研究成果。在選定好結(jié)構(gòu)橫撐形式的基礎(chǔ)之上，后續(xù)需進(jìn)一步考慮橫撐材料以及管徑尺寸選擇，這必然直接影響橫撐剛度大小，然而關(guān)于這一部分目前鮮有文獻(xiàn)進(jìn)行研究，為彌補(bǔ)現(xiàn)有空白，本節(jié)進(jìn)一步開(kāi)展橫撐剛度對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響研究。

為進(jìn)一步簡(jiǎn)化，在原橋“X”撐保持不變的情況下，通過(guò)改變橫撐材料特性來(lái)實(shí)現(xiàn)剛度變化。大橋橫撐材料采用Q345qc，彈性模量為 ，為便于后續(xù)描述，令剛度變化因子 k 分別為0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3。由于大橋各階模型振型特征變化不大，所以在此不給出振型特點(diǎn)，不同橫撐剛度下大橋前5階振型頻率如圖2所示。

根據(jù)圖3以及結(jié)合表1中結(jié)構(gòu)振型特征可得：

（1）橫撐剛度的增大，對(duì)拱肋面內(nèi)剛度影響較小，如2階模態(tài)、3階模態(tài)及5階模態(tài)結(jié)構(gòu)自振頻率變化幾乎為零，但對(duì)面外剛度有所提升。

（2）剛度因子 k 從1.0變化到1.3，剛度增大 30% ，拱肋1階模態(tài)下結(jié)構(gòu)自振頻率僅提高 2.4% ，由此可見(jiàn)采取增大橫撐截面尺寸和改變材料的方式來(lái)提高橫撐剛度效果并不明顯，且不經(jīng)濟(jì)。

（3）對(duì)于提籃拱橋，結(jié)構(gòu)本身具有較大的橫向剛度，在橫撐結(jié)構(gòu)滿足受力的情況下，其剛度可適當(dāng)削弱以節(jié)省材料，如該橋橫撐相較于同跨徑平行拱橋管徑均偏小。

3.3 吊桿失效影響分析

對(duì)于中、下承式鋼管混凝土拱橋，其橋面系荷載主要通過(guò)吊桿傳遞給拱肋，吊桿失效不僅會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成安全隱患，同樣將引起結(jié)構(gòu)內(nèi)力重分布。從現(xiàn)有的吊桿失效實(shí)例來(lái)看，如宜賓小南門(mén)大橋及新疆孔雀大橋吊桿失效位置均為短吊桿處，為此本文選取一岸短吊桿失效進(jìn)行動(dòng)力特性分析，為便于后續(xù)描述，將拱肋與橋面梁相接處短吊桿進(jìn)行編號(hào)，如圖3所示。

由于大橋結(jié)構(gòu)對(duì)稱，且考慮到吊桿實(shí)際失效情況，本文主要計(jì)算6種工況依次如下：（1）吊桿S1失效；（2）吊桿S2失效；（3）吊桿S1和S2同時(shí)失效；（4）吊桿S1和X1同時(shí)失效；（5）吊桿S1和X2同時(shí)失效；（6）吊桿S2和X2同時(shí)失效。同樣的，鑒于其結(jié)構(gòu)振型特征未發(fā)生改變，在此不再贅述，將結(jié)構(gòu)自振頻率相關(guān)計(jì)算結(jié)果列于表2。

根據(jù)表2不同吊桿失效情況下結(jié)構(gòu)自振頻率分析可得：

（1）上述六種吊桿失效工況下，結(jié)構(gòu)自振頻率變化甚微，可見(jiàn)其對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響較小。這主要是對(duì)于拱肋而言，其質(zhì)量和剛度并未發(fā)生較大改變。

（2）對(duì)于吊桿失效，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注橋面梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞和失穩(wěn)破壞，同時(shí)注意失效吊桿周邊臨近吊桿的吊桿力變化。

4結(jié)語(yǔ)

本文以某主跨為360m的中承式提籃鋼管混凝土拱橋?yàn)楣こ桃劳?，利用MidasCivil軟件建立大橋仿真分析模型，分別探討了拱肋內(nèi)傾角度、橫向剛度變化以及吊桿失效對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響，得出主要結(jié)論如下：

（1）拱肋內(nèi)傾角度的設(shè)置能有效增強(qiáng)結(jié)構(gòu)整體剛度和提高整體穩(wěn)定性，但增大拱肋內(nèi)傾角的同時(shí)對(duì)結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)也更加不利，內(nèi)傾角度的選取需進(jìn)行綜合考慮。

（2）橫撐剛度增大，對(duì)拱肋面內(nèi)剛度影響較小，對(duì)面外剛度有所提升，但整體而言效果并不顯著，故通過(guò)改變橫撐截面尺寸和材料的方式來(lái)增強(qiáng)橫撐剛度并不經(jīng)濟(jì)，不推薦采用。

（3）拱肋與橋面梁相接處短吊桿失效對(duì)結(jié)構(gòu)自振頻率影響甚微，對(duì)于該類(lèi)情況應(yīng)著重關(guān)注橋面梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度破壞、失穩(wěn)破壞以及失效吊桿周邊吊桿的吊桿力變化。（4）本文參數(shù)取值下，拱肋內(nèi)傾角度變化、橫撐剛度變化以及吊桿失效不會(huì)改變結(jié)構(gòu)振型特征以及出現(xiàn)的次序。

參考文獻(xiàn)

[1]陳寶春，劉君平.世界拱橋建設(shè)與技術(shù)發(fā)展綜述[J].交通運(yùn)輸工程學(xué)報(bào)，2020，20（1）：27-41.

[2]曾勇，譚紅梅.基于塔一索一拱建模的大跨鋼管混凝土拱橋施工階段動(dòng)力特性研究[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2014，33（5）：17-21，36

[3]秦世強(qiáng)，馮嘉誠(chéng)，唐劍，等.大跨度鐵路連續(xù)剛構(gòu)-CFST拱橋動(dòng)力特性試驗(yàn)研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，18（12）：3247-3256.

[4]周潮泳.鋼管混凝土拱橋在橋面激振頻率下的動(dòng)力特性[J].山西建筑，2019，45（17）：133-136.

[5]吳燦，相斌輝，陳坤，等.啞鈴型截面鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性和穩(wěn)定性研究[J].湖南交通科技，2022，48（4）：118-124.

[6]吳梅容，卓衛(wèi)東，孫穎，等.中承式鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性分析[J].振動(dòng)與沖擊，2017，36（24）：85-90，102

[7]徐華，吳宜濤，解威威，等.400m級(jí)鐵路CFST拱橋合理拱肋內(nèi)傾角研究[J].鐵道科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2021，18（5）：1203-1212

[8]吳燦，相斌輝，陳坤，等.啞鈴型截面鋼管混凝土拱橋動(dòng)力特性和穩(wěn)定性研究[J].湖南交通科技，2022，48（4）：118-124.

[9]張繼權(quán)，季日臣.鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋彈性穩(wěn)定性分析[J].鐵道建筑，2020，60（8）：12-15.

[10]楊勇.重載鐵路大跨度上承式鋼管混凝土拱橋設(shè)計(jì)研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2018，62（4）：107-111，186