部分主要構造對斜拉橋自振特性的影響分析

薛家偉 文坡 董世賦

摘 要：斜拉橋的動力特性分析是研究斜拉橋動力行為的基礎，本文以全福河大橋為背景，使用ANSYS軟件建立了空間有限元模型，詳細分析了索塔單元劃分、輔助墩、邊界約束條件對斜拉橋自振特性的影響。

關鍵詞：斜拉橋;自振特性;有限元法

中圖分類號：U448 文獻標識碼：A

0 引言

斜拉橋的動力特性分析是研究斜拉橋動力行為的基礎，其自振特性決定其動力反應特性，分析斜拉橋自振特性意義重大。結構的動力特性取決于結構的組成體系、剛度、質量和支承條件等。因此建立理想的大跨度斜拉橋動力分析模型，并進行自由振動分析，掌握其動力特性，具有十分重要的現實意義。

1 橋梁概況

全福河大橋跨徑組合為156.5+324+156.5 m，上塔、中塔、下塔柱高分別為52.832 m、41.118 m、25 m。設計行車速度60 km/h;設計荷載為公路-Ⅰ級;設計洪水頻率為1/300;通航等級為Ⅳ級。

2 有限元模型

大跨度斜拉橋的斜拉索在主梁上錨固點一般不會通過主梁扭轉形心，當考慮斜拉橋同時受到多個方向的荷載時，一般需進行空間分析。本文將斜拉橋結構離散為桿、梁單元模型和索膜、梁單元模型兩種模型。

3 斜拉橋部分主要構造對自振特性的影響分析

3.1 索塔單元劃分對斜拉橋自振特性的影響

現對塔的模型劃分粗細兩種進行自振頻率比較，第一種情況把單個主塔劃分為87個單元，所用模型是基本模型1;第二種情況把每個索塔劃分64個單元，采用的模型稱為模型1-1。兩種情況的振型和頻率見表1。

從上表比較可見，兩者振型出現順序相同，但模型1-1較基本模型1的各階頻率要稍小，表明基本模型結構堆聚質量分配和節點位移更合理，計算結果更精確。也可從各階頻率數值可見，兩者在橋梁結構自由振動時影響差異不大，平時在動力特性計算時可以忽略這部分的影響。但有關文獻提到，索塔單元劃分得粗對塔中間單元彎矩的分布影響較大，因此建議對塔單元的劃分不宜太粗。

3.2 輔助墩對斜拉橋自振特性的影響

全福河大橋在邊跨接近交界墩處各設計了一座輔助墩，現分析輔助墩的有無對橋梁自振特性的影響。在無輔助墩情況下的模型稱為模型1-2，其與基本模型1的振型和頻率比較見表2。

從表中可見，有無輔助墩對斜拉橋各振型的序列、對應振型的頻率值均有影響。模型1-2各階振型頻率較基本模型1幾乎都有所降低，這表明輔助墩對斜拉橋的自由振動影響較大。另外，模型1-2的豎向振幅比基本模型1大，豎向振動較基本模型提前兩階出現，可見輔助墩對斜拉橋豎向剛度提高具有顯著影響。

3.3 邊界約束條件對斜拉橋自振特性的影響

分兩種情況分析約束條件對斜拉橋自振特性的影響：一種模型在主梁的一端設置一縱向約束，限制主橋的縱向位移，為模型1-3;另一種模型采用上述的基本模型1。兩者計算所得的振型和頻率比較見表3。

由上表可見，由于主橋縱向位移受到限制，斜拉橋第一階振動為主梁對稱橫向彎曲，基頻0.790 5 Hz，大于模型1的基頻0.480 15。而對于基本模型1，由于縱向主橋位移約束解除，橋面的第一階振動為縱向飄浮，斜拉橋結構的基頻降低，地震反應隨之減小。從上表還可以看出，兩種情況下斜拉橋的橫彎和豎彎、扭轉基頻幾乎相同，可知，限制橋梁縱向位移對斜拉橋橫向、豎向及扭轉剛度影響不大，橋梁抗震性能得到一定改善。

4 結論

（1）索塔單元劃分的粗細程度對斜拉橋自振頻率影響不大，但對靜載計算過程中索塔單元彎矩影響較大，建議不宜劃分太粗。

（2）輔助墩對斜拉橋豎向自由振動影響明顯，使斜拉橋豎向剛度明顯提高。

（3）解除縱向約束的全飄浮體系斜拉橋，第一階振動由橫向對稱彎曲變為縱向飄浮，該橋基頻也由0.790 5變為0.480 15，橋梁抗震性能得到了較大改善。

參考文獻：

[1]易日.使用ANSYS6.1進行結構力學分析[M].北京大學出版社，2002.

[2]姚令森.橋梁工程[M].人民交通出版社，1999.