自錨式懸索橋結(jié)構(gòu)有限元動力分析

葉作權(quán) 路華麗

(1.天津市陸海測繪有限公司，天津 300304； 2.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津 300072)

1 概述

隨著交通事業(yè)的快速發(fā)展，大量復(fù)雜橋梁因此快速興建。由于橋梁生命線的重要地位，橋梁的安全耐久，抗震性能受到了特別關(guān)注[1]。橋梁健康監(jiān)測是橋梁安全的重要保障，其中橋梁結(jié)構(gòu)的動力分析技術(shù)引起研究者的重視[2]。

2 研究現(xiàn)狀

橋梁結(jié)構(gòu)的動力分析，最初研究者采用簡單的“魚骨梁”模型進行分析。通過不斷的研究發(fā)展，采用更為先進的板殼等基本單元建立構(gòu)造上類似于橋梁結(jié)構(gòu)實體的模型進行分析[3]。但是在橋梁健康監(jiān)測中對橋梁局部應(yīng)力及疲勞累積等問題的實時評估，這類模型仍然不能滿足要求。隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展，它成為橋梁結(jié)構(gòu)動力分析技術(shù)的一個重要研究方向[4]。就目前的研究現(xiàn)狀而言，有限元建模、模型修正及參數(shù)識別技術(shù)在有關(guān)復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)動力分析的研究，仍是橋梁結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測領(lǐng)域的挑戰(zhàn)性研究課題。

3 橋梁結(jié)構(gòu)有限元動力分析

3.1 研究對象

坐落于天津市中心城區(qū)的富民橋工程四周是綜合開發(fā)與規(guī)劃的海河兩岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主橋是獨柱單塔的自錨式懸索橋，懸索為空間索面，主跨的主纜索錨固于主梁的兩側(cè)，邊跨的主纜索錨固于地錨。主跨主纜使用在立面和平面均為拋物線的三維空間線形，邊跨主纜使用不加豎向吊索形式的兩根并排一組的纜索。全橋總長340.3 m，主跨157.081 m，輔跨86.4 m。河?xùn)|側(cè)引橋是三跨連續(xù)梁(19+20+19.6)m，由普通鋼筋混凝土構(gòu)成，河西側(cè)引橋38.219 m，是單跨帶懸臂的鋼筋混凝土的框架結(jié)構(gòu)。跨河的主橋橋面的標(biāo)準(zhǔn)寬度為38.6 m，一側(cè)橫向布置包括：0.8 m的吊索錨固區(qū)+0.5 m的防撞護欄+3.75 m的非機動車道+(3.75 m+2×3.5 m)的機動車道+0.5 m的路緣帶+0.5 m的防撞護欄+5.0 m的主塔區(qū)，另一側(cè)沿著主塔區(qū)成對稱布置。其全貌圖如圖1所示。

3.2 模型建立

為了掌握富民橋的動力特性，首先采用有限元方法對橋梁結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，得到橋梁結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)。有限元方法的優(yōu)點是它可以考慮橋梁結(jié)構(gòu)的材料特性、構(gòu)件的剛度、邊界條件和其他方面對結(jié)構(gòu)的影響，并且可以分析復(fù)雜結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性。常用的分析軟件通常包括Ansys,Midas,SPA2000,Abaqus等，為了對富民橋進行模態(tài)分析，本文采用適合橋梁結(jié)構(gòu)分析的Midas Civil 2017有限元軟件。

要準(zhǔn)確建立結(jié)構(gòu)的有限元模型，結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、剛度和邊界條件的模擬是關(guān)鍵因素，因為它們與結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，建立模型的時候必須與橋梁當(dāng)前實際結(jié)構(gòu)保持一致。脊梁模式模擬方法適用于懸索橋結(jié)構(gòu)的動力計算，故采用它模擬富民橋橋面系。其主要原理是將橋面的平動質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、橫向剛度、豎向剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度集中在中心節(jié)點上，可以充分模擬主梁的質(zhì)量系統(tǒng)和剛度系統(tǒng)。采用索單元模擬懸索橋的吊索和主纜，采用空間梁單元來模擬墩臺和索塔等。建立富民橋的有限元模型如圖2所示。

3.3 動力分析結(jié)果

利用上述建立的天津市富民橋有限元模型，計算該懸索橋前5階振型，其固有頻率及對應(yīng)振型的計算結(jié)果見表1和圖3。

表1 富民橋結(jié)構(gòu)有限元分析前5階固有頻率

從表1和圖3分析可知，天津市富民橋前5階的振型分別是主梁豎彎、主梁扭轉(zhuǎn)、主纜扭轉(zhuǎn)、主梁豎彎和主纜扭轉(zhuǎn)。

4 結(jié)語

通過以上的建模及計算分析可知，應(yīng)用有限元軟件Midas Civil進行橋梁結(jié)構(gòu)的動力分析，其分析結(jié)果可行并可靠。運用該方法進行橋梁結(jié)構(gòu)動力分析高效、簡潔、方便且可以實現(xiàn)可視化，因此在橋梁動力分析方面應(yīng)用性和適用性非常廣泛。