橫撐形式及拱肋內傾角對CFST提籃拱橋動力特性的影響

摘要：為探討大跨徑提籃拱橋橫撐形式及拱肋內傾角對結構動力特性的影響，文章以主跨340 m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋沙尾左江特大橋為工程背景，采用Midas Civil軟件建立空間有限元模型進行分析。結果表明：橫撐布置主要影響拱肋的橫向剛度，對豎向剛度的貢獻率較小；沙尾左江特大橋采用“X”撐的動力特性優于“K”撐、“米”撐；提籃拱的設計能在一定程度上改善鋼管混凝土拱橋的面外剛度。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；有限元；動力特性；橫撐布置；內傾角

0引言

近年來，鋼管混凝土拱橋因其具有跨越能力強、經濟效益好、工藝成熟等諸多優點，在我國得到迅速發展。據不完全統計，國內鋼管混凝土拱橋已達400余座，尤其是廣西平南三橋，其跨徑更是達到了驚人的575 m。

目前，國內已有學者開展了鋼管混凝土拱橋動力特性的參數分析，陳水盛等［1］研究了橫撐剛度、邊界條件及拱肋剛度等參數對鋼管混凝土拱橋動力特性的影響；文峰等［2］研究了橫撐布置形式對鋼管混凝土拱橋動力特性的影響；呂建根［3］研究了矢跨比、寬跨比及橫撐等對鋼管混凝土拱橋自振特性的影響。

然而，上述學者研究大多基于平行拱橋開展，對提籃拱橋的研究有待進一步深化。為此，本文依托主跨360 m的沙尾左江特大橋，從橫撐布置形式和拱肋內傾角兩個主要結構設計參數出發，研究其對鋼管混凝土提籃拱橋動力特性的影響。

1 工程概況

沙尾左江特大橋主橋采用中承式鋼管混凝土提籃拱橋，主跨為360 m（計算跨徑為340 m），橋寬為38.5 m，左、右分幅結構，計算矢跨比為1/4.533，拱軸系數為1.55。主拱采用鋼管混凝土桁式結構，吊桿間距為12.4 m，拱肋中距為30.1 m，拱頂截面徑向高7 m，拱腳截面徑向高12. 0 m，肋寬3.2 m。每肋上弦、下弦均為兩根1 200 mm鋼管混凝土弦管，管內混凝土采用C60。拱腳鉸心橫橋向中心間距為38 m，橋面以上主拱上弦平面設置12組“X”型撐，下弦平面設置2道“K”型撐和“一”字型撐，主拱與橋面交叉處，肋間橫撐兼做支撐橋面的橫梁。大橋整體布置如圖1所示。

2 有限元模型

橋梁結構的自振特性是動力分析的基礎，本文采用Midas Civil軟件對沙尾左江特大橋的自振特性進行分析計算。其中，弦管、腹桿、橫撐采用空間梁單元模擬，綴板采用板單元模擬，鋼管混凝土截面采用組合截面模擬。全橋共計節點3 702個、單元5 550個，大橋有限元模型如圖2所示。

3 自振特性分析

采用Midas Civil軟件中的Lanczos法對橋梁進行模態分析，得到橋梁結構的自振特性，包含固有頻率和周期、振動參與質量、振動形態等。一般而言，結構的前幾階模態對動力影響較大，高階模態參與系數小。鑒于此，本文選取前10階模態進行分析，如表1所示。

從沙尾左江特大橋前10階自振頻率和振型特征可以看出，大跨徑提籃拱橋自振特性主要有以下幾個特點：

（1）沙尾左江特大橋第一階頻率為0.437 Hz，表明大跨徑提籃拱橋屬于較柔性的結構；面外振動先于面內振動出現，與大跨徑平行拱橋振動規律一致，表明面外剛度小于面內剛度。

（2）沙尾左江特大橋采用提籃拱設計，能在一定程度上減小橫撐長度，橫撐對拱肋的約束就越強，在一定程度上增大面外剛度，但拱肋側傾的同時也要考慮側傾對扭矩的影響。

4 橫撐布置形式及拱肋內傾角對提籃拱橋自振特性的影響

4.1 橫撐布置形式對自振特性的影響

在不改變其他結構參數的前提下，通過改變橫撐布置形式探討其對自振特性的影響。沙尾左江特大橋主要采用“X”型橫撐，結合現有拱橋的橫撐布置形式，將所有“X”型橫撐換成“米”型橫撐和“K”型橫撐進行對比分析。3種橫撐的布置形式如圖3所示。

如表2所示為沙尾左江特大橋在3種橫撐布置工況下的前10階模態，分析可得：

（1）在“X”型橫撐、“K”型橫撐、“米”型橫撐3種橫撐布置方案中，沙尾左江特大橋一階面內基頻分別為0.535 Hz，0.534 Hz，0.532 Hz，表明橫撐對于整座橋梁的豎向剛度影響較小，橫撐的布置形式對于沙尾左江特大橋的豎向動力特性影響較小。

（2）橫向基頻由大到小排序為：“X”型橫撐>“米”型橫撐>“K”型橫撐，“X”型橫撐的橫向基頻分別是“米”型橫撐、“K”型橫撐的1.002倍、1.220倍。這表明“X”型橫撐、“米”型橫撐的橫向剛度較為接近，且均強于“K”型橫撐的橫向剛度。

（3）“X”型橫撐、“K”型橫撐、“米”型橫撐分別在第8階、6階、6階出現扭轉，扭轉頻率分別為1.249 Hz、1.109 Hz、1.133 Hz，表明“X”型橫撐抗扭能力優于“K”型橫撐、“米”型橫撐。

（4）從圖4可以看出，“X”型橫撐的布置相對簡單，施工工藝流程優于其他兩者。通過Midas Civil軟件統計可得，“X”型橫撐、“K”型橫撐、“米”型橫撐3種方式下的橫撐用鋼材量分別為319.7 t、406.8 t、559.7 t，采用“X”型橫撐比“米”型橫撐節約71%的鋼材。可見沙尾左江特大橋采用“X”型橫撐的動力特性優于其他兩者，且減少了工程費用。

4.2 拱肋內傾角對自振特性的影響

在不改變橋面寬度、橫撐布置位置的前提下，改變拱肋內傾角，來探討內傾角對自振特性的影響。沙尾左江特大橋設計內傾角為10°，本文選取的內傾角為0°、5°及10°，分析得到沙尾左江特大橋在不同拱肋內傾角下結構的自振頻率，結果如圖4所示。

由圖4可知，沙尾左江特大橋在2階、4階模態為面內振動：大橋的豎向基頻與拱肋內傾角成負相關，但整體影響較小；當拱肋傾角由0°變成10°時，拱肋基頻由0.309 Hz增大到了0.437 Hz，增大了41.4%。由此可見，提籃拱的設計能增大拱橋的面外剛度，主要原因是拱肋內傾的同時，橫撐的長度在不斷減小，橫撐對于拱肋的約束在不斷增大，體現為橫向基頻隨著內傾角的增大而不斷增大；拱肋傾角為0°、5°、10°時，分別對應拱肋的一階扭轉頻率為0.908 Hz、1.027 2 Hz、1.249 Hz，這說明拱肋內傾角的設置能一定程度增大面外剛度，但拱肋內傾的同時自身也會帶來更大的扭轉，對橋梁的整體穩定性造成一定的影響。因此，內傾角的設置不宜過大，應綜合考慮橋梁的穩定性和動力特性。

5 結語

本文以沙尾左江特大橋為工程背景，通過Midas Civil軟件分析了在不同橫撐布置形式及拱肋內傾角下結構的動力特性，得出以下結論：

（1）對于沙尾左江特大橋而言，采用“X”撐的動力特性較“米”撐和“K”撐好，且采用“X”撐的鋼材用料更少，能降低工程造價。

（2）橫撐布置主要引起橫向剛度變化，對豎向剛度貢獻較小，因此橫撐的布置主要應滿足鋼管混凝土拱橋的靜力性能。

（3）內傾角的設置能在一定程度上改善大跨徑鋼管混凝土拱橋面外剛度較小的情況，但在設置內傾角的同時應考慮拱肋的附加扭矩。

參考文獻：

［1］陳水盛，陳寶春.鋼管混凝土拱橋動力特性分析［J］.公路，2001（2）：10-14.

［2］文 峰，李壽英，劉慕廣，等.橫撐布置方式對鋼管混凝土拱橋動力特性的影響［J］.國防交通工程與技術，2007（2）：43-45.

［3］呂建根.結構參數對鋼管混凝土拱橋動力特性的影響［J］.仲愷農業工程學院學報，2009，22（4）：31-35.

作者簡介：黃春梅（1986—），工程師，主要從事勞務招標、采購管理工作。