輔助墩對混合梁斜拉橋非線性靜動力特性的影響

鐘加峰

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北武漢 430052)

0 引言

混合梁斜拉橋具有主跨跨越能力大、邊跨預應力混凝土梁能夠總體上提高整座橋的剛度、減小主梁和拉索的疲勞影響、抗風性能和建筑外觀得到改善以及主塔和邊跨預應力混凝土梁可同時施工等一系列優(yōu)點［1］。而獨塔斜拉橋由于只有一個主塔，可以選擇修建在地基條件較好的一邊，不但降低了造價，而且整體結(jié)構(gòu)造型美觀，被廣泛應用于跨徑小于400 m的橋梁［2］。而結(jié)構(gòu)形式特殊的混合梁獨塔斜拉橋，其受力性能與普通斜拉橋又有所不同，但目前對此類橋型的各方面性能的研究相對較少，因此對混合梁獨塔斜拉橋的研究具有一定的工程價值。

本文以混合梁斜拉橋為研究對象，計算分析了輔助墩對其靜動力特性的影響［3-5］。

該橋為混合梁獨塔雙索面斜拉橋，采用整體箱花瓶式塔身，塔梁墩固結(jié)體系，承臺以上塔身高182 m，主跨跨徑為338 m，邊跨布置為72 m+56 m+52 m，橋梁全長518 m，斜拉索采用扇形雙索面，主梁采用混合梁，其中主跨布置:297 m鋼箱梁+41 m預應力混凝土箱梁，邊跨均采用預應力混凝土箱梁。混凝土箱梁采用單箱三室結(jié)構(gòu)，箱梁頂面寬36 m，全寬38 m，梁高3.3 m，結(jié)構(gòu)外形與鋼箱梁一致，采用支架施工，邊跨設置2個輔助墩。立面圖見圖1。

圖1 混合梁斜拉橋立面圖（單位：cm）

1 有限元模型的建立

利用ANSYS建立了全橋有限元模型。模型類型采用工程常用的脊梁模式［6，7］，將橋面系的剛度和質(zhì)量都集中在主梁中間節(jié)點，利用剛臂單元連接節(jié)點和斜拉索，主塔、主梁和剛臂均采用Beam4單元，斜拉索采用Link10單元，并依據(jù)Ernst公式考慮斜拉索的非線性影響。全橋有限元離散模型見圖2。

圖2 全橋有限元離散模型

2 混合梁獨塔斜拉橋在不同輔助墩設置情況下的靜動力特性

在下面的分析中，建立了三種輔助墩的設置方式來分析其對混合梁獨塔斜拉橋的靜動力特性的影響。

結(jié)構(gòu)形式1:邊跨設置2個輔助墩，分別距塔72 m，128 m;

結(jié)構(gòu)形式2:邊跨設置1個輔助墩，距塔72 m;

結(jié)構(gòu)形式3:邊跨不設置輔助墩。

2.1 3種結(jié)構(gòu)形式靜力特性分析

由圖3可以看出，有輔助墩時，邊跨混凝土段及主跨鋼箱梁段主梁豎向位移均較小，線形比較平順，無輔助墩時，主跨與邊跨均產(chǎn)生較大的豎向位移。

由圖4可以看出，有無輔助墩在主塔附近均會產(chǎn)生較大彎矩，有輔助墩時，混凝土段負彎矩較小;無輔助墩時，混凝土段產(chǎn)生負彎矩較大。綜合圖3，圖4可以看出:輔助墩的設置提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，使彎矩分配更為合理，有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖3 主梁豎向位移

圖4 主梁彎矩

2.2 3種結(jié)構(gòu)形式動力特性分析

從表1～表3的數(shù)據(jù)可以看出:

1)輔助墩的設置對主梁一階振型的影響比較明顯，且使得主梁的基準頻率有明顯提高;

2)3種結(jié)構(gòu)形式下，各主要振型出現(xiàn)的順序基本一致，且同一振型下，有無輔助墩對頻率的影響并不大;

3)有輔助墩時，主塔側(cè)彎均為第三階振型，而無輔助墩時為第四階振型，且頻率一樣，輔助墩對主塔側(cè)彎頻率的影響很小;

4)沒有輔助墩時，第三階振型中主梁以邊跨為主的一階豎彎振型與主塔豎彎振型耦合，而有輔助墩時未出現(xiàn)此振型，輔助墩對邊跨的剛度影響明顯;

5)有無輔助墩時，主梁扭轉(zhuǎn)頻率基本一致，輔助墩對主梁扭轉(zhuǎn)頻率的影響較小。

表1 結(jié)構(gòu)形式1頻率及振型

3 結(jié)語

當混合梁獨塔斜拉橋設置不同的輔助墩時，其靜動力特性亦隨之不同。由以上分析可以得出以下幾點結(jié)論:

1)輔助墩的設置使結(jié)構(gòu)的受力更加均勻，提高了結(jié)構(gòu)的整體剛度，使整個結(jié)構(gòu)的安全性更高，隨著輔助墩個數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)的整體剛度亦會有所增強，但超過2個時影響有限。

表2 結(jié)構(gòu)形式2頻率及振型

表3 結(jié)構(gòu)形式3頻率及振型

2)輔助墩的設置提高了結(jié)構(gòu)的基準頻率，但輔助墩數(shù)量的增加不影響橋梁整體振型出現(xiàn)的順序，且對其相應的頻率影響有限。

3)輔助墩的設置對主梁的扭轉(zhuǎn)頻率影響較小。

［1］陳開利，余天慶，習 剛.混合梁斜拉橋的發(fā)展與展望［J］.橋梁建設，2005(2):1-4.

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［3］揚達文.輔助墩對斜拉橋動力性能的影響［J］.廣東土木與建筑，2003(6):62-63.

［4］曹永睿，鐘鐵毅，顧正偉，等.大跨度斜拉橋地震響應分析［J］.鐵道建筑，2007(5):23-27.

［5］葉愛君，胡世德.混合式斜拉橋的動力性能分析［A］.第十二屆全國橋梁學術會議［C］.1996:601-606.

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［8］費 梁，謝敏杰，姜長宇.輔助墩對預應力混凝土斜拉橋動力特性的影響［J］.山西建筑，2010，36(5):306-307.