聯臺大橋部分斜拉橋振型分析

趙琦彥

0 引言

一般來講,連續梁以受彎、受剪來承受豎向荷載,斜拉橋以梁的受壓和索的受拉來承受豎向荷載,而部分斜拉橋由于采用了拉索的形式,通過索塔的高度將體內預應力筋移出梁體,使其與梁體形成了一個水平夾角。一方面,通過水平方向的分力形成偏心彎矩來幫助梁體受力,起到了預應力筋的作用;另一方面,通過豎直方向的分力抵消了梁體的重力,在梁體上形成了許多彈性支點,減小了梁體的“跨度”,起到了斜拉索的作用,所以它以梁的受彎、受壓和索的受拉來承受豎向荷載。因此,其結構性能必然同連續梁橋和斜拉橋有所不同,是介于連續梁橋和常規斜拉橋之間的一種新橋型。

聯臺大橋屬于部分斜拉橋,位于南安市福溪村,橫跨西溪,跨越河槽部分主橋長300 m,兩岸引橋長分別為33.50 m和63.5 m。橋面全寬為30.5 m(含構造跨度),雙向六車道。梁體為單箱三室變高度斜腹板箱形截面,主跨(136 m)墩頂處梁高 4.5 m,跨中處梁高及邊跨直線段采用2.6 m,中跨及邊跨梁底曲線線型采用二次拋物線。橋塔為鋼筋混凝土矩形截面,主跨塔高(梁頂以上17 m),塔柱均采用矩形截面,順橋向長3.0 m,橫橋向寬2.0 m。

1 計算模型

各主要組成部分在動力計算模式中的模擬方式分述如下:

1)箱梁計算模式。梁體模型采用殼單元(Shell63)來模擬,對于梁體、橋墩部分、橋塔均采用實際截面尺寸和形狀建模,主梁剛度采用其實際剛度。2)斜拉索的計算模式。斜拉索采用空間桿單元模擬,考慮到其垂度引起的非線性,每一根索均按照Ernst公式進行了彈性模量折減。3)橋塔及橋墩的計算模式。為了考慮橋墩對橋梁動力特性的影響,動力分析模型中加入了橋墩部分,橋塔、橋墩均采用實體單元來模擬,并且梁與下部結構之間的連接采用耦合關系來處理。二期恒載化為均布荷載加在相應的節點上,得到了如圖1所示的計算模型。

2 模態分析

基于上述斜拉橋有限元模型的建立,采用ANSYS大型有限元程序,進行了該橋的模態分析。表1列出了計算得到的前10階振型頻率、周期及振型的描述。

聯臺大橋主橋橋跨布置(82+136+82)m,單索面部分(矮塔)斜拉橋,單箱三室變截面預應力混凝土箱梁截面,橋寬30.5 m,塔梁固結,僅在3號墩設置了一個固定支座,其余為定向支座。2號,3號橋墩為薄壁實體墩柱。

表1 聯臺大橋自振頻率及振型特性

橋梁的第一階振型頻率ω1=0.5977Hz,相應振型為以主跨半波彎曲振動為主的豎向一階對稱振動。主跨為一個半波,兩邊跨各為一個半波。顯現出橋梁跨度大、上部結構的高度較小而橫向寬度又較寬,橋梁上部結構的豎向剛度與其橫向、扭轉及橋墩剛度相比較小,振型表現出對稱的特點。

橋梁的第二階振型頻率ω2=0.9802Hz,相應振型表現為橋梁整體的縱向平動伴隨著主梁一階反對稱豎向彎曲振動,振型頻率比一階頻率提高64%,這是由于本橋塔梁固結,上部結構僅在3號墩設置了一個固定支座,且橋墩屬于薄壁式橋墩,其縱向彎曲剛度較小,因而橋梁二階振型表現為橋梁整體的縱向平動伴隨著主梁一階反對稱豎向彎曲振動。顯然,隨著3號墩水平剛度的減小,二階頻率必然降低。

第三階自振頻率為ω3=1.188Hz,振型表現為一階反對稱豎向彎曲振動的特點,主梁呈現出四個半波,屬二階豎向彎曲振動,并伴隨以3號橋墩為主的縱向彎曲振動。振型頻率比一階豎向提高98.8%。

橋梁的第四階振型頻率ω4=1.629Hz,相應振型表現為主跨結構的三階豎向對稱彎曲振動,全橋呈現出五個半波的振動特點。頻率比一階提高1.73倍。

橋梁的第五階自振頻率為ω5=2.174Hz,相應振型表現為主梁主跨一階半波反對稱扭轉振動。振動頻率比一階豎向振動頻率豎向基頻高2.64倍。橋梁主跨箱梁的一階扭轉振動在主梁豎向對稱、反對稱彎曲振動和橋梁整體的縱向平動之后出現,充分反映出橋梁單箱三室斜腹板預應力混凝土箱梁抗扭剛度大的特點。

橋梁前5階振型,隨頻率的提高主梁豎向一、二、三階豎向振動,縱向一階平動,扭轉振動交錯出現,說明橋梁整體上豎向和扭轉剛度均衡,同時反映出橋梁上部結構構造對稱的特點。

橋梁的第六階自振頻率ω6=2.283Hz,振型表現為邊跨結構為主的二階豎向反對稱彎曲特點,主跨和邊跨呈現出兩個半波的振動態勢。頻率比一階提高2.82倍。

橋梁的第七階振型頻率ω7=3.198Hz,相應振型表現為主跨的反對稱二階扭轉振動的特點,頻率比第一階提高4.35倍。

橋梁的第八階振型頻率ω8=3.356Hz,相應振型表現為主塔的反對稱面外或橫橋向彎曲振動,說明本橋雖然是單索面橋梁,但由于其塔“矮”,橫向彎曲剛度相對較大的特點,這也是區別斜拉橋的一個顯著特點。頻率比第一階提高4.61倍。

橋梁的第九階振型頻率ω9=3.645Hz,相應振型表現為以梁的主跨三階對稱扭轉伴隨邊跨扭轉振動和主塔的對稱橫向彎曲振動的特點。橋梁的五、七、九階振型分別為橋梁箱梁的一、二、三階扭轉振動,一方面說明本橋單箱三室箱梁扭轉剛度大的特點,同時也反映出本橋橋面寬的特點。頻率比第一階提高5.09倍。

橋梁的第十階振型頻率 ω10=3.668Hz,相應振型表現為以主梁高階豎向彎曲振動為主伴隨塔的側向彎曲振動的振動特點。頻率比第一階提高5.13倍。

3 結語

通過對前10階振型進行分析,可以得到如下結論:從橋梁的前10階振動頻率和振型,各階振動豎向、縱向及扭轉的頻率相差不大,橋的豎向一階振動、縱向平動、豎向二、三階振動、扭轉振動、豎向多階振動和對稱、反對稱振動交替出現,說明箱梁結構的梁高變截面曲線設置以及腹板的設置方式均在合理范圍之內。梁的抗扭剛度的增大使扭轉振型后移,這將有利于增強橋梁的抗風性能。由十階振型沒有出現整體橫向彎曲振動的特點可知該橋橫向剛度比較大。同時說明本橋有限元計算模型正確,邊界條件模擬符合工程實際。

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