中承式鋼管混凝土提籃拱橋動力特性研究

中圖分類號：U448.52文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.01.026

文章編號：1673-4874（2025）01-0089-03

0 引言

隨著基礎設施建設與發展，鋼管混凝土拱橋憑借著良好的力學性能和經濟性在國內得到了大量應用。平南三橋的成功建設，也正式宣告鋼管混凝土拱橋的跨度即將邁入600m級。然而隨著拱橋不斷朝大跨、輕柔方向發展1，自然災害如地震、風振引起的結構動力問題已不容忽視。

目前，國內已有相關學者針對鋼管混凝土拱橋動力性能方面開展了研究。曾勇等2以合江長江一橋為例，利用ANSYS有限元軟件建立了塔一索一拱一體化的動力特性分析模型，研究表明由于塔架、扣索以及主拱之間存在耦合關系，一體化建模才能最真實反映大橋施工階段的動力特性；秦世強等3依托某連續鋼構一鋼管混凝土拱組合結構，研究了大橋在列車荷載下的動力特性，認為相較于主梁結構，柔性拱肋設計可使橋梁具有更好的動力特性；周朝泳4基于ABAQUS有限元軟件，研究了某系桿拱橋橋面不平順對橋梁動撓度的影響，結果表明橋面激振頻率與橋梁基頻越接近，系桿拱橋動撓度值越大；吳燦等5以金沙江大橋為例，分析了啞鈴型截面鋼管混凝土拱橋的動力特性，研究表明臨近拱腳位置設置橫撐，可顯著提高拱肋的剛度和增大橋梁的整體穩定性；吳梅容等還進一步探討了矢跨比和寬跨比對無推力拱橋動力特性的影響，研究表明在常用取值范圍內，矢跨比和寬跨比改變對無推力拱橋動力特性影響較小。

綜上所述，上述學者對鋼管混凝土拱橋動力特性進行了多方面研究與探討，也取得了顯著的成果。但不足的是，少有學者針對如提籃拱橋這類空間異形結構進行過系統研究，特別是結構設計差異對自身動力性能的影響。鑒于此，本文以某主跨為360m的中承式鋼管混凝土提籃拱橋為列，利用MidasCivil軟件建立大橋仿真分析模型，探討分析拱肋內傾角變化、橫撐剛度變化以及吊桿失效對結構自身動力特性的影響，為類似橋梁設計和施工提供參考。

1工程概況

某鋼管混凝土拱橋設計為拱肋內傾角為 的提籃式拱橋，拱肋采用四肢變截面空間桁架結構，主跨為 ，計算跨徑為 ，矢跨比為1/4.533，主拱軸線為懸鏈線。拱肋弦管采用 種類型，壁厚由拱腳到拱頂依次減小過渡。大橋主弦管采用Q345qc材料，管內混凝土采用C60自密實混凝土。

2基準有限元模型的建立

利用MidasCivil軟件建立大橋仿真分析模型，除橋面板采用板單元模擬以及吊桿采用桁架單元模擬外，其余結構均采用空間梁單元模擬。其中，鋼一混組合截面采用施工階段聯合截面模擬，中央防撞護欄、人行道護欄以及橋面鋪裝分別采用梁單元和面荷載等效施加，模型考慮十年期收縮徐變，特性向量采用子空間迭代。大橋拱腳采用全固結約束。結構離散共計3824個節點和5672個單元。有限元仿真模型如圖1所示。

3結構動力特性分析

3.1拱肋內傾角影響分析

根據有關文獻對拱橋合理內傾角的研究，本文主要選取拱肋內傾角分別為 以及 三種工況進行分析，其中角度變化時對有限元模型做出以下基本假定：（1）僅改變拱肋中心距，拱肋鉸中心距保持不變；（2）邊界條件以及荷載保持變化；（3）拱肋間橫向聯系不變。在上述不同內傾角下，計算得到大橋前5階結構自振頻率，結果如表1所示。

如表1所示，不同內傾角下結構前5階自振頻率和振型特征計算結果可分析得到：

（1）拱肋內傾角變化對結構振型特征影響較小，主要是由于拱肋內傾角變化并未顯著改變結構質量矩陣的整體剛度矩陣；同時結構振型序列并未提前發生，可見大橋橫撐設計整體較為強大，可適當進行優化設計。

（2）伴隨內傾角的增大，拱肋低階自振頻率得到了顯著提高，這主要得益于橫撐長度縮短有效增大了橫撐對拱肋的約束效應，可見內傾角的設置能有效增大拱肋剛度，增強結構的穩定性。

（3）拱肋4階振型表現形式為面外扭轉，與前者不同的是，內傾角的增加使得結構自振頻率由0.6919Hz降低到了0.6838Hz，可見拱肋內傾的同時對結構抗扭轉也更加不利，內傾角的合理取值需綜合進行考慮。

3.2橫撐剛度影響分析

對于鋼管混凝土拱橋動力特性分析而言，目前已有較多文獻[8-10]針對橫撐形式如“△”撐、“X\"撐、“一”字撐及“米”字撐進行過對比分析，也取得了一些研究成果。在選定好結構橫撐形式的基礎之上，后續需進一步考慮橫撐材料以及管徑尺寸選擇，這必然直接影響橫撐剛度大小，然而關于這一部分目前鮮有文獻進行研究，為彌補現有空白，本節進一步開展橫撐剛度對結構動力特性的影響研究。

為進一步簡化，在原橋“X”撐保持不變的情況下，通過改變橫撐材料特性來實現剛度變化。大橋橫撐材料采用Q345qc，彈性模量為 ，為便于后續描述，令剛度變化因子 k 分別為0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3。由于大橋各階模型振型特征變化不大，所以在此不給出振型特點，不同橫撐剛度下大橋前5階振型頻率如圖2所示。

根據圖3以及結合表1中結構振型特征可得：

（1）橫撐剛度的增大，對拱肋面內剛度影響較小，如2階模態、3階模態及5階模態結構自振頻率變化幾乎為零，但對面外剛度有所提升。

（2）剛度因子 k 從1.0變化到1.3，剛度增大 30% ，拱肋1階模態下結構自振頻率僅提高 2.4% ，由此可見采取增大橫撐截面尺寸和改變材料的方式來提高橫撐剛度效果并不明顯，且不經濟。

（3）對于提籃拱橋，結構本身具有較大的橫向剛度，在橫撐結構滿足受力的情況下，其剛度可適當削弱以節省材料，如該橋橫撐相較于同跨徑平行拱橋管徑均偏小。

3.3 吊桿失效影響分析

對于中、下承式鋼管混凝土拱橋，其橋面系荷載主要通過吊桿傳遞給拱肋，吊桿失效不僅會對結構造成安全隱患，同樣將引起結構內力重分布。從現有的吊桿失效實例來看，如宜賓小南門大橋及新疆孔雀大橋吊桿失效位置均為短吊桿處，為此本文選取一岸短吊桿失效進行動力特性分析，為便于后續描述，將拱肋與橋面梁相接處短吊桿進行編號，如圖3所示。

由于大橋結構對稱，且考慮到吊桿實際失效情況，本文主要計算6種工況依次如下：（1）吊桿S1失效；（2）吊桿S2失效；（3）吊桿S1和S2同時失效；（4）吊桿S1和X1同時失效；（5）吊桿S1和X2同時失效；（6）吊桿S2和X2同時失效。同樣的，鑒于其結構振型特征未發生改變，在此不再贅述，將結構自振頻率相關計算結果列于表2。

根據表2不同吊桿失效情況下結構自振頻率分析可得：

（1）上述六種吊桿失效工況下，結構自振頻率變化甚微，可見其對結構動力特性影響較小。這主要是對于拱肋而言，其質量和剛度并未發生較大改變。

（2）對于吊桿失效，應重點關注橋面梁結構強度破壞和失穩破壞，同時注意失效吊桿周邊臨近吊桿的吊桿力變化。

4結語

本文以某主跨為360m的中承式提籃鋼管混凝土拱橋為工程依托，利用MidasCivil軟件建立大橋仿真分析模型，分別探討了拱肋內傾角度、橫向剛度變化以及吊桿失效對結構自振特性的影響，得出主要結論如下：

（1）拱肋內傾角度的設置能有效增強結構整體剛度和提高整體穩定性，但增大拱肋內傾角的同時對結構抗扭轉也更加不利，內傾角度的選取需進行綜合考慮。

（2）橫撐剛度增大，對拱肋面內剛度影響較小，對面外剛度有所提升，但整體而言效果并不顯著，故通過改變橫撐截面尺寸和材料的方式來增強橫撐剛度并不經濟，不推薦采用。

（3）拱肋與橋面梁相接處短吊桿失效對結構自振頻率影響甚微，對于該類情況應著重關注橋面梁結構強度破壞、失穩破壞以及失效吊桿周邊吊桿的吊桿力變化。（4）本文參數取值下，拱肋內傾角度變化、橫撐剛度變化以及吊桿失效不會改變結構振型特征以及出現的次序。

參考文獻

[1]陳寶春，劉君平.世界拱橋建設與技術發展綜述[J].交通運輸工程學報，2020，20（1）：27-41.

[2]曾勇，譚紅梅.基于塔一索一拱建模的大跨鋼管混凝土拱橋施工階段動力特性研究[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2014，33（5）：17-21，36

[3]秦世強，馮嘉誠，唐劍，等.大跨度鐵路連續剛構-CFST拱橋動力特性試驗研究[J].鐵道科學與工程學報，2021，18（12）：3247-3256.

[4]周潮泳.鋼管混凝土拱橋在橋面激振頻率下的動力特性[J].山西建筑，2019，45（17）：133-136.

[5]吳燦，相斌輝，陳坤，等.啞鈴型截面鋼管混凝土拱橋動力特性和穩定性研究[J].湖南交通科技，2022，48（4）：118-124.

[6]吳梅容，卓衛東，孫穎，等.中承式鋼管混凝土拱橋動力特性分析[J].振動與沖擊，2017，36（24）：85-90，102

[7]徐華，吳宜濤，解威威，等.400m級鐵路CFST拱橋合理拱肋內傾角研究[J].鐵道科學與工程學報，2021，18（5）：1203-1212

[8]吳燦，相斌輝，陳坤，等.啞鈴型截面鋼管混凝土拱橋動力特性和穩定性研究[J].湖南交通科技，2022，48（4）：118-124.

[9]張繼權，季日臣.鐵路大跨度鋼管混凝土拱橋彈性穩定性分析[J].鐵道建筑，2020，60（8）：12-15.

[10]楊勇.重載鐵路大跨度上承式鋼管混凝土拱橋設計研究[J].鐵道標準設計，2018，62（4）：107-111，186