地錨式人行懸索橋靜動力特性研究

李浩然 黃偉 金旭光

摘要：地錨式人行懸索橋跨越能力優越，結構受力合理安全，不需要修建橋墩等優點，被廣泛修建于山區峽谷等條件惡劣的環境中，但是因為僅考慮滿足行人行走的原因，加勁梁寬度一般為2m到5m，隨著跨徑的增大，結構長細比急劇減小，穩定性較差。于是建立精確的人行懸索橋模型，對其進行靜動力特性分析具有重要的理論意義和工程應用價值。

Abstract： The ground anchor type pedestrian suspension bridge has superior spanning capacity， reasonable structural and mechanical strength， and does not need to build bridge piers， so it is widely built in harsh conditions such as mountain valleys， but because it only considers the reasons for pedestrian walking， generally the stiffening beam width is 2m to 5m. As the span increases， the slenderness ratio of the structure decreases sharply and the stability is poor. Therefore， the establishment of an accurate pedestrian suspension bridge model and the static and dynamic characteristics analysis has important theoretical significance and engineering application value.

關鍵詞：人行懸索橋;靜力分析;模態分析;有限元模型

Key words： pedestrian suspension bridge;static analysis;modal analysis;finite element model

中圖分類號：U445 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1006-4311（2019）09-0130-03

1 ?工程概況

勾兒灘人行懸索橋位于湖北省興山縣古洞口水庫，橋跨布置采用（15.5+150+15.5）m地錨式單跨雙鉸懸索橋，主橋主梁采用縱橫梁格鋼結構體系，引橋為混凝土空心板梁橋。全橋共2根主纜，為分段懸鏈線型，每根主纜由19根Φ28mm（6×19W+IWR）鋼芯鍍鋅鋼絲繩組成，吊桿選用6×19S+FC型纖維芯鋼絲繩，全橋共73對吊桿，吊桿順橋向間距為2.0m，加勁梁橫梁采用兩根[32a槽鋼，縱梁采用[16槽鋼，橋面采用厚10mm花紋鋼板。主塔為矩形截面鋼筋混凝土結構，全橋立面布置如圖1所示。

2 ?空間有限元建模

2.1 建模說明

地錨式人行懸索橋的基本受力構件包括：主纜、吊桿、加勁梁和索塔。本文采用MIDAS CIVIL有限元程序建立空間結構模型，全橋共3645個單元，其中采用非線性空間索單元模擬主纜和吊索，且具有一定的初始幾何剛度，采用空間梁單元模擬加勁梁和橋塔，橋面板使用殼單元模擬。懸索橋模型橋塔底部及主纜錨固點邊界條件設置為固結約束形式，加勁梁兩端邊界條件按簡支梁多支座的設置方法來約束自由度，索塔頂端將索單元與梁單元進行主從剛性連接，并釋放X方向自由度來模擬索鞍的作用。全橋空間有限元模型如圖2所示。

2.2 建模過程

采用MIDAS CIVIL有限元程序建立懸索橋模型包含以下三個步驟：

①初始模型：使用懸索橋建模助手，輸入控制節點坐標、材料截面特性值與橋面系荷載，根據節線法確定的初始主纜線形建立懸索橋結構的初始模型。

②初始模型修改：懸索橋建模助手建立的初始模型為魚骨式加勁梁簡化模型，需要根據懸索橋實際情況修改初始模型的結構類型、尺寸與邊界條件。

③精細化模型建立：完成以上步驟后，使用懸索橋分析的懸鏈線法對懸索橋進行迭代找形，得到精確的主纜成橋線形。

建模完成后，需要在后處理模式下查看位移計算結果，保證成橋位移滿足要求之后才能進行結構后續靜動力特性分析。

3 ?人行懸索橋靜力分析

靜力特性分析是通過計算結構內力、變形來反映橋梁的受力規律與設計特征。基于已建立的人行懸索橋模型，提取結構內力與變形結果，并進行分析。

3.1 索單元內力計算結果

主纜與吊桿是懸索橋的主要受力結構，分析恒載作用下的主纜與吊桿內力分布規律，可以更好的對懸索橋的內力狀態進行分析。主纜與吊桿內力分布如圖3、圖4所示。

由圖3可知，在自重荷載作用下，主纜內力范圍處于1440～1520kN之間，主纜節段最大內力值為1518.5kN，位于索鞍處。主纜內力值隨順橋向坐標均勻變化，呈現減小趨勢，且成懸鏈線形，說明該人行懸索橋主纜受力符合設計要求。

由圖4可知，在自重荷載作用下，吊桿內力范圍處于8～11kN之間，由于邊吊桿距離索塔3m與吊桿間距2m有所不同，邊吊桿承受更大的橋面系荷載，所以邊吊桿內力最大，為10.9kN。其余吊桿內力隨順橋向坐標均勻變化，呈減小趨勢。說明該人行懸索橋吊桿受力符合設計要求。

3.2 位移計算結果

采用MIDAS CIVIL建立完人行懸索橋模型后，需要查看自重作用下全橋位移計算結果來驗證模型的正確性。如果全橋位移值趨近于0，說明主纜找形正確，橋梁結構受力處于平衡狀態，反之說明懸索橋找形分析不準確，懸索橋未達到受力平衡狀態。勾兒灘人行懸索橋成橋階段全橋位移計算結果如圖5所示。

由圖5可知，在自重荷載作用下，橋梁位移趨近于0，說明主纜找形正確，模型主纜坐標為設計成橋線形，全橋結構處于平衡狀態，也進一步驗證了該建模方法的正確性。

4 ?人行懸索橋模態分析

地錨式人行懸索橋這一類型結構的模態分析對設計與運營有著至關重要的影響，以下基于MIDAS CIVIL有限元程序，采用Lanczos法進行模態分析，并列出橋梁前6階自振特性與振型圖，如表1、圖6～圖11所示。

由表1、圖6～圖11可知，該人行懸索橋前6階模態振型以主梁豎彎和橫彎為主，基頻為0.34Hz，遠小于規范要求的人行橋不小于3Hz的要求。綜上所述該類人行懸索橋結構普遍纖柔，橫向與豎向剛度較為薄弱，結構基頻較小，導致在外界荷載的作用下，容易產生主梁豎向與橫向振動，從而使行人產生不舒適感。

5 ?結語

通過建模分析可知，勾兒灘行人懸索橋受力符合設計要求，主纜與吊桿內力分布隨著順橋向坐標規律變化，主纜最大內力為1518.5kN，吊桿最大內力為10.9kN。滿足材料的受力范圍。該橋基頻為0.34Hz，振型為主梁一階對稱橫向振動，說明該類人行懸索橋結構普遍纖柔，橫向剛度較小，在外界荷載作用下容易產生晃動，從而使行人產生不舒適感。可以采用抗風纜、中央扣等抗風措施來增大結構基頻，從而減小結構振動。

參考文獻：

[1]孫全勝，苗建偉.某雙塔三跨自錨式人行懸索橋靜動力行為分析[J].中外公路，2015，35（03）：147-151.

[2]張妮.德國蓋爾雷人行懸索橋[J].世界橋梁，2016，44（06）：91-92.

[3]金泊含，王立彬，王鴻，郭瀟藝.基于撓度理論的三塔四跨懸索橋靜力特性分析[J].南京林業大學學報（自然科學版），2016，40（03）：143-148.

[4]萬利軍，單煒，袁建新.自錨式懸索橋靜力特性模型試驗研究[J].公路交通科技，2014，31（06）：108-114.

[5]肖勇剛，陳偉華.大跨度懸索橋動力特性的參數分析[J].長沙理工大學學報（自然科學版），2016，13（01）：28-33.