超高異形橋塔及支架自振特性研究

王建兵，趙陽，王瑞康，曾平

（北京鐵辰工程監理有限公司 工程管理部，北京 100084）

0 引言

隨著橋梁建設的快速發展，橋梁工程中出現了越來越多的異形橋塔。異形橋塔在外觀上滿足了人們對美的追求，但其受力復雜，給施工帶來了極大挑戰。因此，必須對施工過程中異形橋塔和臨時支架進行研究［1-2］。孫立軍等［3］采用ANSYS軟件建立異形塔和支架的有限元模型，分別對懸臂拼裝法和支架法施工時塔的應力及線形進行了分析。衛軍等［4］采用ANSYS軟件模擬橋塔施工全過程，分析臨時橫撐和塔柱的位移與應力。黎世勇等［5］從結構性能構造上，對異形塔柱進行了力學性能分析，并對主要設計參數進行優化。不同異形橋塔具有不同外形和受力情況，因此，現有的研究均是針對某一具體工程進行研究［6］。超高異形橋塔無法參考已有研究進行設計和施工控制，因此應對其進行專項研究分析。因為結構在各種動荷載作用下的內力響應均由結構的振動特性決定，所以在進行動力分析之前，應先對其進行模態分析。在此以某超高異形橋塔為例，分析橋塔和臨時支架的自振特性。

1 工程概況

某橋塔的外形為傾斜的拱形結構，橋面以上垂直塔高約73.4 m，整塔傾斜角度約為69°，單側塔柱傾斜角度為南塔約77°、北塔約61°。橋塔根部設有拱形門洞供人行步道及機動車通過。橋塔迎車面的拉索部分設凹槽，減小截面過大帶來的外觀影響。

1.1 施工重難點

（1）超高：橋塔高73.4 m，全鋼結構，總用鋼量超過5 770 t；

（2）異形：整個橋塔沒有對稱軸和對稱面，施工過程荷載、變形均存在不對稱性；

（3）要求高：施工質量要求高，控制嚴，橋塔施工線形誤差不超過H/4 000，是正常施工外觀要求L/400的10倍。

1.2 施工方案

針對施工中的重難點，確定該橋塔的臨時支架方案如下：

（1）支架選材：臨時支架均采用Q345 直縫埋弧焊鋼管，超高異形橋塔施工臨時支架采用格構柱式鋼支架，格構柱的節間高度約800 cm，立柱間距200～700 cm。支架立柱鋼管采用φ810-12 mm 的鋼管。格構柱的綴條（剪刀撐）均采用φ530-10 mm 鋼管。支架鋼管立柱通過橫撐和斜撐連接為一個整體，形成雙層網殼。立柱之間采用法蘭盤高強螺栓連接，立柱與基礎采用Q235 地腳錨栓連接，立柱與剪刀撐采用相貫焊接。

（2）支架布置：整個支架共設置9排鋼管立柱，立柱支點為對應節段頂面下口向下約150 cm 的位置（見圖1）。支架設計總用鋼量約為576 t（見表1、表2）。

圖1 橋塔支架的示意圖

表1 橋塔支架橫/斜撐材料用量

表2 橋塔支架立柱材料用量

2 結構動力特性分析

在進行內力分析前，必須先對模型的動力特性進行分析，以便對模型的可靠性做定性分析。

2.1 模型建立

橋塔模型由南北塔肢各10 個節段和中間1 個合龍段組成，在南北塔肢底部的前5個節段的截面尺寸和剛度均較大，而節段長度較短，因此，為方便建模，在分析模型中，分別將南北塔肢的前5 個節段合成一1 個節段建立模型，并將橋塔合龍段分成南北2段。這樣劃分節段后，在ANSYS 分析模型中，南北塔肢各有7 個節段。橋塔采用beam4單元模擬，塔的形狀根據不同節段剖面形狀求得截面參數，橋塔有限元模型南北肢的第6、7 節段各劃分為10 個單元，其他每個節段均劃分為5 個單元，橋塔有限元模型共劃分為90 個單元。支架采用beam188 單元模擬，每個節間劃分為5 個單元，支架有限元模型由2 802個單元組成。

在分析模型中，橋塔底部采用固結方式模擬，支架立柱底部與基礎也采用固結的連接方式，支架頂部與橋塔連接處采用鉸接方式，只約束Y 向平動自由度，釋放Z 向和X 向平動自由度及三向轉動自由度，結構ANSYS 模型見圖2。

2.2 模態分析

對橋塔進行模態分析，分析結果見圖3—圖7?？梢姡簶蛩?階振型為縱向振動，頻率為1.47 Hz；2階振型為豎向扭轉振動，頻率為3.06 Hz；3階振型為橫向振動，頻率為3.18 Hz；4階振型為縱向二階振動，頻率為5.23 Hz；5階振型為橫向對稱振動，頻率為6.28 Hz。

圖2 橋塔-支架有限元模型

2.3 支架模態分析

圖3 橋塔的1階振型

圖4 橋塔的2階振型

圖5 橋塔的3階振型

圖6 橋塔的4階振型

圖7 橋塔的5階振型

在ANSYS 分析模型中，支架立柱底部與基礎采用固結的連接方式，支架頂部自由。橋塔支架的前5 階振型及頻率見圖8—圖12。可見：1 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 排為主的整體縱向振動，頻率為1.11 Hz；2 階振型為以ATN7、ATN8、ATN9 排為主的整體縱向振動，頻率為1.99 Hz；3 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10、HLD 為主的二階縱向振動，頻率為2.83 Hz；4 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 為主的二階縱向振動和以ATN9、ATN10 為主的二階橫向振動，頻率為3.65 Hz；5 階振型為以ATS9、ATS10和ATN8、HLD、ATN9 為主的三階橫向振動，頻率為3.90 Hz。

2.4 橋塔+支架模態分析

圖8 支架的1階振型

圖9 支架的2階振型

圖10 支架的3階振型

圖11 支架的4階振型

圖12 支架的5階振型

在ANSYS 分析模型中，橋塔底部采用固結方式，支架立柱底部與基礎也采用固結連接方式，支架頂部與橋塔連接處采用鉸接方式，只約束Y 向平動自由度，釋放Z 向和X 向平動自由度及三向轉動自由度。橋塔+支架的前5 階振型及頻率見圖13—圖17。可見：1 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 為主的一階縱向振動，頻率為1.29 Hz；2 階振型為以ATN8、ATN9 和ATS8、ATS9 為主的二階縱向振動，頻率為2.05 Hz；3階振型為以ATN8、ATN9、ATN10為主的二階橫向振動，頻率為2.48 Hz；4階振型為橋塔的一階橫向振動，頻率為2.88 Hz；5 階振型為以ATN8、ATN9、ATN10、HLD 為主的三階縱向振動，頻率為3.15 Hz。

圖13 橋塔+支架的1階振型

圖14 橋塔+支架的2階振型

圖15 橋塔+支架的3階振型

圖16 橋塔+支架的4階振型

圖17 橋塔+支架的5階振型

3 結論

以某超高異形橋塔為例，利用有限元軟件ANSYS對橋塔和臨時支架進行模態分析，分別列出橋塔、支架及橋塔+支架的前5 階振型及頻率，得到以下主要結論：

（1）橋塔的1 階振型為縱向振動，2 階振型為豎向扭轉振動，3 階振型為橫向振動，4 階振型為縱向二階振動，5 階振型為橫向對稱振動。橋塔的前5 階振型中出現了豎向扭轉，應予以重視。

（2）支架的1 階振型為縱向振動，2 階振型為縱向振動，3 階振型為二階縱向振動，4 階振型為二階縱向振動和二階橫向振動的組合，5 階振型為三階橫向振動。

（3）橋塔+支架的1 階振型為一階縱向振動，2 階振型為二階縱向振動，3 階振型為二階橫向振動，4 階振型為一階橫向振動，5階振型為三階縱向振動。