吊杆及横撑对钢箱梁钢管混凝土拱桥自振特性的影响.docVIP

吊杆及横撑对钢箱梁-钢管混凝土拱桥自振特性影响研究 叶梅新 莫朝庆 罗如登 （中南大学土木建筑学院 湖南 长沙 410075） 摘要：本文以一座1-80米铁路钢箱梁－钢管混凝土拱组合结构为例，采用大型有限元软件Midas\civil建立其空间计算模型，通过模态分析得到该桥的主要自振振型。以此为基础，探讨了吊杆、横撑不同布置形式以及横撑刚度对结构自振频率的影响，为同类拱桥的动力分析及优化设计提供一定的参考。 关键词：钢管混凝土拱桥；自振特性；吊杆；横撑 中图分类号： 文件标识码： 引言 随着钢管混凝土拱桥结构的日趋轻型化，该桥型的抗风、抗震以及车辆荷载冲击振动等动力问题也备受关注。特别是近年来，钢管混凝土拱桥逐渐应用到客运专线及高速铁路等铁路桥梁中，对其在高速列车动力冲击荷载作用下的各项性能提出了更高的要求。而桥梁结构自振频率等动力参数的计算是进行桥梁结构其他动力响应分析以及抗震设计的基础，对合理地进行桥梁抗震设计、抗风稳定性及车桥共振分析等都有着重要的意义。基于这一目的，研究吊杆及横撑对全桥自振特性的影响，以期为实际工程提供参考和借鉴。 1、工程概况 水田中桥是广深港客运专线广州至深圳段1-80m双线铁路下承式拱桥， km/h，线上250 km/h，跨越机荷高速公路，两端桥台连接客运专线隧道，地理位置十分重要。主梁采用五室等高度箱形截面，箱梁宽16.0m。拱肋采用变高度圆端形截面，截面宽1.0m，截面高2.0～3.0m。拱轴线为二次抛物线，设计矢高f=22.857m，矢跨比f／L=1：3.5 。两榀拱肋的中心距为14.5m，共设5道“一字形”横撑。采用平行钢丝束柔性吊杆，间距为5.5m。桥台采用一字形重力式桥台，以扩大基础形式嵌固于弱风化花岗岩岩层中，拱脚直接锚固于基岩，箱梁支承于桥台之上，见图1所示。 水田中桥桥址处属于低纬度南亚热带季风海洋性气候区，台风活动频繁，最大风力可达12级，抗震设防烈度为度图1 全桥大样及横截面图 收稿日期： 基金项目：铁道部重点项目 作者简介：叶梅新(1946-)，，，博士生， （1） 式中：[M]与[K]分别为结构的质量矩阵和刚度矩阵，｛｝｛和｝分别是结构的位移和加速度。设自由振动位移解的形式为： （2） 其中｛｝为与时间无关的振型向量，将式(2)代人式(1)中，可得： （3） 令其系数行列式=0，即可得到结构的固有频率及对应的振型向量。 3、有限元模型及自振特性分析 采用大型有限元软件Midas建立水田中桥空间动力计算模型。其中钢箱梁采用板单元进行模拟，拱肋、横撑和吊杆均采用梁单元进行模拟。由于本桥地质条件较好，基础弹性变形较小，而基础的弹性变形对全桥振动特性影响很小[1]，在计算时拱脚处按刚性固定处理。 为满足分析精度要求,采用子空间迭代法，计算了该桥前150 阶频率和振型。表1列出了前10 阶自振频率及相应振型，图2为几个重要的自振振型。 表1　水田中桥自振频率及振型 振型阶数 频率（Hz） 振型特性 振型质量贡献率 方向 1 0.92 拱肋一阶横向对称振动 21.82 Y 2 1.86 拱肋一阶横向反对称振动 0.09 Y 3 2.43 拱肋竖向及桥面一阶反对称竖向振动 9.30 X 4 3.06 桥面一阶横向对称振动 53.38 Y 5 3.16 桥面一阶竖向对称振动 49.94 Z 6 3.20 拱肋二阶横向对称振动 4.53 Y 7 3.89 拱肋及桥面扭转振动 0.20 Y 8 4.80 拱肋及桥面二阶对称竖向振动 9.44\12.82 X\Z 9 4.86 拱肋三阶反对称横向振动 0.03 Y 10 5.70 拱肋纵向振动及桥面扭转 0.16 Y 注：X、Y、Z分别代表顺桥向、横桥向和竖向。 第1阶振型 第4阶振型 第5阶振型 第7阶振型 图2 水田中桥重要自振振型图 由表1及图2可知，水田中桥的振型比较复杂，主要包括桥梁的横向面外振动、竖向面内振动和空间扭转振动三种振动形式，具体表现为： （1）前两阶振型均为拱肋的横桥向面外振动，频率分别为0.92 Hz和1. 86 Hz，拱肋的面外刚度相对较小。但与斜拉桥和国内一些下承式钢管混凝土拱桥相比较[2]，拱肋的面外基频相对较大，说明水田中桥的抗风稳定性相对较好。 （2）桥面系的一阶横向面外和竖向面内振动出现在第四、五阶，频率较大，说明桥面的刚度较大，且面内刚度大于面外刚度。列