V形剛構拱組合橋動力特性分析

張祥彬

(南昌鐵路局工務處,江西南昌 330000)

1 工程概述

新建鐵路廣州至珠海(含中山至江門)城際快速軌道交通工程小欖水道特大橋全長7686.57m,主跨采用100+220+100mV形剛構拱組合橋,是國內客運專線鐵路首次采用的結構形式,為國內同類型橋梁最大跨度[1]。全橋立面布置如圖1所示。

圖1 小欖水道特大橋主橋總體布置(單位:cm)

小欖水道特大橋主橋V形墩外側斜腿與水平面的夾角為34.6°,內側斜腿與水平面的夾角為46.4°,均采用單箱雙室箱形截面。主梁采用單箱雙室截面,頂板厚度為42cm,橋面寬度為11.6m,底板寬10.0 m。V形墩支點處梁高采用7.8m,主跨跨中和邊跨支座處梁高3.8m,V構內部最小梁高采用4.8m。其中,V形墩及基礎采用C40混凝土,主梁采用C60混凝土。

拱肋采用N形桁架,上、下弦管采用直徑900mm的鋼管混凝土結構;腹桿采用直徑600mm的空鋼管。拱肋中心橫向間距12.2m,拱肋的計算跨徑L=160 m,月牙形鋼管混凝土拱下弦鋼管矢高35m,上弦鋼管矢高40m。兩榀拱肋之間共設7道橫撐,均由空鋼管組成。吊桿順橋向間距為9m,全橋共設15對吊桿。小欖水道特大橋采用“先梁后拱”的施工方案,即先施工V形連續剛構,然后在梁上搭設支架,安裝拱肋及吊桿。

V形剛構拱組合橋利用V形剛構的主跨斜腿與鋼管混凝土拱的拱座連接形成,具有拱和V形連續剛構共同受力的特點,其結構性能已不同于一般的梁拱組合體系橋[2-3]。從結構形式來看,其上部結構以V形墩連續剛構為主體,配以鋼管混凝土拱肋進行加勁,起到了減小主梁梁高、控制跨中下撓以及弱化高速行車時橋梁振動的作用。

2 有限元分析模型

有限元分析模型采用大型通用有限元程序MIDAS/CIVIL軟件建立,根據不同構件的受力特點,采用不同單元類型來模擬不同構件,同時根據橋梁的實際情況,合理處理各構件之間的連接情況和邊界約束情況,形成統一的全橋分析模型。各構件模擬描述如下:

(1)V形墩預應力混凝土連續剛構采用三維梁單元模擬,其變截面形式采用實際結構的截面大小。

(2)N形桁架鋼管混凝土拱采用三維梁單元組合截面模擬,吊桿采用只受拉索單元模擬,考慮桁架鋼管混凝土拱肋的空間效應。

(3)為合理模擬吊桿下端與主梁的連接情況,在每個吊桿下端對應的主梁節點處向外伸出一個剛度很大的剛性橫梁,并將剛性橫梁外端節點與吊桿下端節點的豎向自由度耦合。

(4)考慮到橋面道砟及其他附屬結構不參與結構承力,但卻影響結構振動特性,將這一部分荷載轉化為質量均勻分布到主梁節點上。

(5)V形墩的上端與主梁的連接點以及拱腳下端與主梁之間的連接點均通過建立剛性連接進行模擬。

(6)小欖橋橋址處場地土第四系沉積物厚達40～60m,工程地質條件較差。有限元建模中考慮了樁-土-結構相互作用對地震反應的影響,地基對樁基的作用采用節點彈性約束模擬。

(7)全橋兩端的支座采用釋放水平約束的活動支座模擬,樁基底部采用固結約束模擬。

(8)空間有限元模型坐標系為:X方向為橋跨縱向,Y方向為橫向,Z方向為豎向。

圖2為空間有限元模型的離散單元。本模型共劃分單元718個,其中空間梁單元688個,只受拉索單元30個,共有節點453個。

圖2 小欖水道特大橋空間有限元模型離散單元

3 自振特性分析結果

橋梁自振特性包括結構的自振頻率、振型和阻尼比等參數,反映出結構的剛度指標。這里采用子空間迭代法求解橋梁空間自振特性。一般情況下,結構的低階自振頻率和振型對結構動力特性起控制作用,這里僅給出橋梁結構的前10階自振特性的計算結果,見表1。限于篇幅,本文只給出前4階振型,見圖3至圖6所示。

表1 小欖水道特大橋前10階自振頻率計算結果

圖3 第1振型(俯視)f=0.493Hz

圖4 第2振型(俯視)f=0.854Hz

圖5 第3振型(俯視)f=0.979Hz

圖6 第4振型(正視)f=1.058Hz

小欖水道特大橋自振特性分析結果表明:

①拱肋橫向基頻為0.493Hz,梁拱組合橫向基頻為0.854Hz,梁拱組合豎向基頻為1.029Hz。

②拱肋的一階振型周期為2.028s,比一般單孔剛性結構0.3～0.4s的基本振動周期大得多,這說明V形剛構上部的鋼管混凝土拱肋屬于柔性結構。

③第一階振型為拱的對稱橫向側彎,表明拱的面內剛度大于面外剛度。這是因為拱的面內振動要引起主梁的振動,所以阻力大、頻率高,面內振型出現晚于面外振型。

④V形剛構與拱組合橋拱肋的面外基頻比面內基頻低,說明該類橋梁拱肋的橫向剛度比較小,因此V形剛構與拱組合橋拱肋的橫向穩定性問題不容忽視。

⑤由于拱肋和主梁的重力方向一致,所以對于面內振型,二者的振動基本同步。在面內振型中沒有出現主梁振動而拱肋不振動或者拱肋振動而主梁不振動的情況。

4 二期恒載對結構動力特性的影響

對于鐵路橋梁而言,其二期恒載比較大,本橋二期恒載為160kN/m。在進行靜力計算時,二期恒載僅作為外荷載施加到結構上。但是在進行動力計算分析時,二期恒載只提供質量,而不產生結構剛度。因此二期恒載將對結構的動力特性產生較大的影響。

表2 同一振型特征下考慮和不考慮二期恒載時的頻率比較

經過計算,將同一振型特征下考慮和不考慮二期恒載的結構振動頻率列示在表2中。從表2中可以看出,考慮二期恒載的影響后,在拱肋獨立側彎振型中,拱肋自振頻率有微小的增大,增幅約1%～4%;主梁和拱肋同時參與的振型中,組合結構自振頻率減小,減小幅度約8%～14%。二期恒載的考慮與否將使結構振型順序發生變化。分析認為,由于二期恒載增加了主梁的質量,而剛度并沒有增加,所以有主梁參與的各個振型的自振頻率降低。而拱肋獨立振動的振型均屬于側彎振型,且拱肋拱腳固結在主梁之上,主梁質量增加對拱肋質量沒有任何影響,反而相當于加強了拱腳在主梁上的約束,所以拱肋獨立側彎振型的振動頻率反而有微小的增加。

5 樁-土-結構相互作用對結構動力特性的影響

樁基是建于軟弱土層中的橋梁最常用的基礎形式。樁-土-結構相互作用使結構的動力特性、阻尼以及地震反應發生改變,而忽略這種改變并不總是偏安全的。一般情況下,樁-土-結構相互作用會對斜拉橋、懸索橋等這樣一類具有高聳塔墩的橋梁動力特性影響較大[4-5],那么樁-土-結構相互作用對于小欖水道特大橋,這樣一座V形剛構與拱的組合體系橋的動力特性有多大影響,本文進行了比較分析。

表3 相同振型特征下考慮和不考慮樁-土-結構作用時的頻率比較

考慮與不考慮樁-土-結構相互作用兩種情況下小欖水道特大橋橋的自振頻率及振型對比見表3。從表3中可以看出,由于樁-土-結構相互作用的影響,拱肋的橫向振動基頻減小約3%,梁拱組合橫向基頻減小約13%,但是梁拱組合豎向基頻增大約15%。同時,結構的振型順序也會發生很大的變化。

6 結論

通過建立空間桿系有限元模型,分析了大跨度V形剛構拱組合橋的動力特性,研究了二期恒載和樁-土-結構相互作用對橋梁動力特性的影響。得出以下結論:

(1)拱肋的一階振型周期為2.028s,比一般單孔剛性結構0.3～0.4s的基本振動周期大得多,這說明V形剛構上部的鋼管混凝土拱肋屬于柔性結構。

(2)第一階振型為拱的對稱橫向側彎,表明拱的面內剛度大于面外剛度。這是因為拱的面內振動要引起主梁的振動,所以阻力大、頻率高,面內振型出現晚于面外振型。

(3)考慮二期恒載的影響后,在拱肋獨立側彎振型中,拱肋自振頻率有微小的增大,增幅約1%～4%;主梁和拱肋同時參與的振型中,組合結構自振頻率減小,減小幅度約8%～14%。二期恒載的考慮與否會使結構振型順序發生變化。

(4)由于樁-土-結構相互作用的影響,拱肋的橫向振動基頻減小約3%,梁拱組合橫向基頻減小約13%,但是梁拱組合豎向基頻增大約15%。同時,結構的振型順序也會發生很大的變化。

[1]孫樹禮.連續梁拱組合橋梁設計關鍵技術對策研究[J].鐵道標準設計,2005(5)

[2]羅世東,嚴愛國,劉振標.大跨度連續剛構柔性拱組合橋式研究[J].鐵道科學與工程學報,2004(2)

[3]劉巍,周志宏,湯湘中.鋼管混凝土拱橋動力特性分析[J].山西科技,2008(1)

[4]吳定俊,王小松,項海帆.高速鐵路尼爾森拱橋車橋動力特性[J].鐵道學報,2003(3)