列車作用下懸索橋剛度參數對橋梁動力性能影響

水 銀 霞

(武漢鐵路局武漢橋工段，湖北 武漢 430062)

列車作用下懸索橋剛度參數對橋梁動力性能影響

水 銀 霞

(武漢鐵路局武漢橋工段，湖北 武漢 430062)

分析研究了某多塔懸索橋不同的桁寬、桁高、主纜剛度和中塔剛度等剛度敏感參數對橋梁自振特性以及橋梁動力響應的變化規律，分析表明，加勁梁桁寬的增加能顯著增大橋梁橫向基頻，且能減小跨中橫向振動響應；加勁梁桁高、主塔剛度以及主纜剛度的增加均能提高結構整體豎向剛度，顯著減小橋梁跨中豎向振動位移。

大跨度多塔懸索橋，動力特性，剛度參數，橋梁動力響應

隨著我國交通事業和國民經濟的發展，在跨越大江、大河時往往需要修建很多大跨徑的橋梁[1-3]，在眾多大跨徑的橋型當中，多跨懸索橋在上述工程背景中應用廣泛，成為又一熱點[4-7]；另外，橋梁建造技術采用了更多的現代化的科學技術，橋梁施工方法得到了突飛猛進的發展，橋梁建筑材料朝著輕質高強的方向發展，使得橋梁跨度也越來越大，因此，多塔多跨懸索橋方案已經被橋梁設計者越來越多的關注。

對于大跨度鐵路橋梁而言，橋梁的總體布置以及各主要構件相關剛度參數的確定對橋梁的使用性能有決定性的影響，目前規范中已經結合車橋耦合振動理論針對中小跨度橋梁作出了剛度限值的規定，但不適用于大跨度橋梁。因此，對影響大跨度橋梁剛度的各種因素進行分析研究，得出各剛度參數對橋梁結構動力性能的影響，對指導該類大跨度橋梁的設計具有較大的意義。

1 工程背景

本文所選算例為某地區內的一座大跨度三塔懸索橋，該橋為一座公鐵兩用橋梁，雙層橋面，上層通行六車道高速公路、下層通行六車道城市主干道和雙線市郊鐵路。主橋采用52 m+2×650 m+52 m三塔公鐵兩用懸索橋方案，主橋長1 404 m，如圖1所示。主梁加勁梁采用鋼箱桁架組合梁，梁高10.92 m，鋼箱桁架組合加勁梁由上下兩層組成，上層橋面雙向六車道+下層橋面雙向六車道和雙線軌道交通，橋面全寬44 m，如圖2所示。

2 分析方法

對于大跨度鐵路懸索橋，車橋系統的走行性分析是研究其剛度合理性的重要依據，本文從主梁桁高、橋塔剛度、主纜剛度以及車速變化等角度，采用列車橋梁時變系統空間振動分析的有限元軟件，通過多工況計算，對列車通過橋梁時車橋的空間動力響應的變化進行分析，得出各剛度參數的變化對列車走行性能影響的一般規律。

3 桁寬影響分析

本文加勁桁梁主桁的設計條件下桁距為16 m，可參考圖2。為考察桁寬對動力性能的影響，將桁架間距從12 m到20 m每增加2 m為一個計算工況，共5種工況，分別計算其動力特性及列車走行性。

由圖3可知，橫向位移隨著桁寬的增大而減小，橋梁跨中豎向位移隨著車速的增大而增大，而隨著桁寬的增加，豎向位移有所增大。橋梁跨中橫向加速度和豎向加速度均隨著桁寬的增大而有增大的趨勢。綜上所述，隨著桁寬的增加，橋梁的橫向振動響應普遍有減小的趨勢，而豎向振動響應有增大的趨勢，故桁寬的增加對提高大跨度懸索橋的橫向剛度是有利的。

4 中塔剛度影響分析

大跨度懸索橋本身是一個柔性結構體系，對于多塔懸索橋而言，中塔剛度設計影響著整個多塔懸索橋的結構體系及受力狀態，本文采用改變中塔彈性模量的方法來改變中塔的設計剛度值，研究中塔剛度變化對大跨度三塔鐵路懸索橋動力特性以及列車走行性的影響情況。假設原設計條件下中塔剛度參數值為1.0，分別再計算中塔剛度值分別為設計值的50%，75%，125%，150%的四種工況，共5個工況，其他參數保持不變。

由圖4可以看出，隨著中塔剛度的增加，橋梁跨中豎向位移顯著減小，且隨著車速的增大而增大。橫向位移隨中塔剛度的變化并不明顯，且與車速的關系也不明確。橋梁跨中橫向加速度和豎向加速度隨著主塔剛度的增大變化不敏感，而隨車速的變化有一定的影響。綜上所述，隨著主塔剛度的增加，可以顯著減小主梁跨中的豎向位移和梁端折角，故增加主塔剛度對提高大跨度懸索橋的豎向剛度是有利的。

5 主纜剛度影響分析

對于大跨度鐵路懸索橋，主纜是主要的承重構件，主纜剛度對整個橋梁結構的剛度有著重要的影響，為了考慮結構動力特性及列車走行性隨主纜剛度變化的影響，本文通過改變主纜自身的彈性模量的方法來實現，按設計條件下主纜剛度值的50%，75%，100%，125%和150%五個計算工況，其他設計參數不變，分別計算其動力特性及列車走行性。

由圖5可知，橋梁跨中橫向位移隨主纜剛度的增加而減小，且與車速的關系也不明確，從數值上看變化并不明顯；隨著主纜剛度的增加，橋梁跨中豎向位移顯著減小，且隨著車速的增大而增大。橋梁跨中橫向加速度和豎向加速度隨著主纜剛度的增大變化不敏感，而隨車速的變化有一定的影響，但與車速變化的關系也不明確，總體而言，增加主纜剛度對提高大跨度懸索橋的豎向剛度也是有利的。

6 結語

本文從結構動力特性和列車走行性這兩個角度進行了主梁桁高、中塔剛度和主纜剛度等參數分析，分析得出：

1)大跨度鐵路橋梁橫向剛度主要由加勁梁貢獻，加勁梁桁寬的增加能夠較顯著地增大橋梁橫向基頻，且能減小跨中橫向振動響應。

2)大跨度鐵路橋梁主塔剛度以及主纜剛度均對豎向剛度有重要影響，增大加勁梁桁高、提高主塔剛度和主纜剛度均能顯著減小橋梁跨中豎向振動位移，更有利于行車安全；中塔剛度和主纜的提高對整個結構的剛度是有利的，但主要有利于豎向剛度的提高，對其他方向的剛度影響不是很明顯。

[1] 雷俊卿，鄭明珠，徐恭義.懸索橋設計[M].北京：人民交通出版社，2004：3-15.

[2] 周孟波.懸索橋手冊[M].北京：人民交通出版社,2003.

[3] 張 哲.混凝土自錨式懸索橋[M].北京：人民交通出版社,2005.

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[5] 唐茂林，邱 景，齊東春，等.南京長江四橋施工監控總報告[R].成都:西南交大科技園管理有限責任公司，2010.

[6] 唐茂林，邱 景，齊東春，等.泰州長江大橋施工監控總報告[R].成都:西南交大技術轉移中心有限責任公司，2008.

[7] 楊 進.泰州長江公路大橋主橋三塔懸索橋方案設計的技術理念[J].橋梁建設，2007(3)：59-60.

[8] 蔡憲棠.大跨度鐵路懸索橋剛度研究[D].成都：西南交通大學,2010.

[9] 張 東.大跨度鐵路懸索橋結構體系及對剛度影響的研究[D].成都：西南交通大學,2008.

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[11] 劉 斌.三塔懸索橋振動特性研究[D].成都：西南交通大學,2009.

Influence research of dynamic responses of multi-tower suspension bridge under different stiffness parameters

Shui Yinxia

(WuhanBridgeEngineeringSection,WuhanRailwayBureau,Wuhan430062,China)

A detailed research on the effects of stiffness parameters such as beam width, girder height, stiffness of main cable and pylon tower are made under multiple loading conditions. The discipline of the calculation results was summarized. The results show that increase of the width of girder can significantly increase lateral vibration frequency and reduce the transverse vibration response of the bridge. The increase of the height of girder, the stiffness of the middle tower and the stiffness of the main cable can significantly increase the vertical stiffness of the bridge and reduce the vertical vibration response of the bridge, which is beneficial to train running.

long-span multi-tower suspension bridge, dynamic characteristic, stiffness parameters, bridge dynamic response

2015-03-10

水銀霞(1990- )，女，助理工程師

1009-6825(2015)14-0195-02

U448.25

A