大跨径系杆拱桥动力特性参数分析

范琴锋

大跨径系杆拱桥动力特性参数分析

范琴锋

以格丑沟特大桥主桥为背景,通过变化拱肋内倾角和吊杆布置形式,应用有限元分析程序 MIDAS进行了动力特性计算分析;计算结果表明：结构的横向基频随着内倾角的增大而增大,结构刚度也逐渐增大;但在三种吊杆布置形式下,结构横向基频无明显变化。

钢管混凝土,系杆拱桥,动力特性

目前我国大力投资搞基础建设,桥梁的建设规模宏大,以缓解日益增加的交通压力。新一轮的高速铁路和城际轻轨的建设对桥型、桥宽、桥跨、使用要求、荷载等级以及桥梁美学有更高的要求,而拱面的形式以及吊杆布置形式将会是当前研究的热点问题,有许多结构方案提出了倾斜拱面加斜吊杆布置的结构形式,希望以此提高结构的整体刚度。文献[1]对一座跨度 128m客运专线刚系杆拱进行了自振频率及结构参数研究。文献[2]以广深高速公路东莞段的一座 130m钢管系杆拱桥的结构设计方案为对象,就该桥的整体稳定屈曲特性和自振特性进行了分析。本文以一孔跨度为 136m的下承式钢管混凝土系杆拱桥为对象,针对拱面和吊杆布置形式等问题展开讨论,通过变化结构参数来分析结构的动力特性。

1 工程背景

红柳林至神木西铁路专用线格丑沟特大桥位于红柳林至神木西新建铁路线上,该桥为跨越格丑沟及 204国道而设,主桥采用一孔 136m钢管混凝土系杆桥跨越。该桥为单线刚性系梁刚性拱桥,系梁与拱肋固接,整个结构为内部超静定外部静定。跨径 L= 136m,全长 139.6m,拱轴线采用二次抛物线,矢跨比为 f/L=1∶5,矢高为27.2m,理论拱轴线方程为Z=0.8X-0.005 882 353X2,拱肋采用外径 110 cm壁厚 18mm的钢管混凝土截面,上下两拱肋中心距2.5m,拱肋截面高3.6m,上下拱肋之间采用厚 14 cm的腹板连接,腹板间距 65 cm,腹板间不灌注混凝土。拱肋之间共设 1组米字形横撑、6道 K撑,每道横撑均为空钢管组成的桁式结构。横撑横向钢管外径 600mm、K形钢管外径 450mm,壁厚均为12mm,拱肋上弦管横撑及 K撑与下弦管横撑及 K撑分别采用外径29.9mm和24.5mm,壁厚为10mm的腹杆连接。全桥共设14对吊杆,吊点中心距 8m,每点吊杆为双根 55-φ7平行钢丝束组成,冷铸镦头锚固,中心间距为 50 cm,系梁采用预应力混凝土简支箱梁,系梁横截面为单箱双室截面,高为 2.8 m,端部加高至3.3m;梁顶宽11.2m,底宽9.0m。系梁两端设铸钢铰支座与桥墩相连,一端固定一端滑动。桥上为单线,设计活载为中—活载,设计行车速度为 80 km/h,地震基本烈度为6度,地震动峰值加速度为0.05g。

2 内倾角变化对结构动力特性的影响

本文将通过有限元软件对拱肋在不同内倾角下进行建模分析[3],计算分析拱肋在内倾角变化时对结构动力性能的影响规律,从而确定动力性能相对较优的结构形式,文献[4]通过一座钢管混凝土拱桥的工程实例对此做了相关的分析工作。

通过有限元模型分析计算,得出的结构动力特性随内倾角变化(考虑到模型拱肋之间距离为 8m,内倾角不能过大,取内倾角从 0°变化到 6°)的统计图表,如表1所示。

表1 结构动力特性结果表

通过表 1可知,随着内倾角的增大,横向基频、竖向基频和扭转基频都有不同程度的提高,说明随着内倾角的增大,结构的总体刚度也随之增大。由于本模型两拱肋之间距离为 8m,在矢跨比一定的条件下,内倾角不宜太大,对于内倾角大于 6°的情况,可以参考文献[5]。

3 吊杆布置形式对结构动力特性的影响

本文将建立三个吊杆不同布置形式下的结构模型,以此来研究吊杆不同布置形式对结构动力特性的影响规律。

通过有限元模型的计算结果,给出吊杆不同布置形式下结构动力特性结果表格,如表 2所示。

表2 吊杆不同布置形式下动力特性表

通过对表 2中结果数据分析可知,在不同的吊杆布置形式下,结构的动力特性变化很大,斜吊杆和网状吊杆布置形式下结构的竖向基频都比竖吊杆布置形式下要大,网状吊杆布置形式下的竖向基频比竖吊杆布置形式下的值提高了 51%,网状吊杆布置形式下的扭转基频比竖吊杆布置形式下的值提高了 6%。但在三种吊杆布置形式下,结构横向基频基本无变化,可以认为吊杆布置形式对结构横向刚度无影响。

4 结构方案的比选

综合前文得到的相关结论,通过对如下 6个结构方案进行分析对比以找到动力性能相对较优的结构方案。

1)平行拱肋竖吊杆;2)平行拱肋斜吊杆;3)平行拱肋网状吊杆;4)提篮拱肋竖吊杆;5)提篮拱肋斜吊杆;6)提篮拱肋网状吊杆。

其中拱肋的内倾角度为 6°,图 1为不同方案下的有限元模型图。

通过有限元程序分析计算得到的三种吊杆布置下结构的各阶自振频率的列表如表3所示。

表3 结构自振频率表

通过表 3的计算结果可知,结构的横向基频、竖向基频和扭转基频最高的都是方案 6。从结构动力性能的角度来考虑,方案6可以更好地满足桥梁对结构动力性能的要求,但方案 6的施工工艺较为复杂,在施工过程中拱肋的线形的控制难度大,稍有偏差,对成桥后结构的整体受力影响很大。在其他条件相同的条件下,提篮拱网状吊杆结构具有更高的结构刚度,在高速铁路要求行车舒适的条件下,提篮拱的结构体系方案中具有更大的优势,文献[6]研究了高速铁路尼尔森拱桥车桥动力特性,其结论与本文类似,文献[7]也提出了类似观点。

5 结语

1)内倾角对横向、竖向和扭转基频有着不同程度的影响,横向基频随着内倾角的增大而增大(本文只分析了在 0°～6°变化范围内),而对竖向基频在内倾角为 0°～4°范围内没有什么变化,当内倾角为 6°时,竖向频率增大到 1.20。扭转频率在内倾角为 0°～

2°时没有变化,在内倾角为 4°～6°时扭转频率有所增加。当内倾角为 6°时,横向、竖向和扭转频率都达到最大值,也说明此时结构整体刚度最大。2)吊杆的布置形式对结构的竖向和扭转频率有较大的影响,斜吊杆和网状吊杆布置形式下结构的竖向基频都比竖吊杆布置形式下要大,但在三种吊杆布置形式下,结构横向基频无变化。3)相对于竖吊杆和斜吊杆,尼尔森体系的提篮拱具有更好的动力性能,在桥梁结构要求较大的横向、竖向、扭转刚度时可优先考虑。4)从施工角度考虑,在结构都满足动力特性的情况下,建议首先使用平行拱肋竖吊杆的结构形式。

[1] 刘德军,李小珍,司秀勇.客运专线刚系杆拱桥自振特性及结构参数研究[J].铁路建筑,2007(4)：1-4.

[2] 刘世忠,欧阳永金,沈 波.钢管系杆拱桥的整体稳定性及自振特性分析[J].甘肃科学学报,1994(1)：28-35.

[3] 于建华,谢用九.高等结构动力学[M].成都：四川大学出版社,2001：45-75.

[4] 程海根,强士中.钢管混凝土提篮拱动力特性分析[J].公路交通科技,2002(6)：63-65.

[5] 何赓馀.高速铁路系杆拱桥结构体系设计参数研究[D].成都：西南交通大学硕士学位论文,2006.

[6] 吴定俊,王小松,项海帆.高速铁路尼尔森拱桥车桥动力特性[J].铁道学报,2003(6)：96-100.

[7] 张石波,裴若娟.浅谈尼尔森体系的钢管混凝土提篮拱在铁路桥梁中的运用前景[J].桥梁建设,2001(1)：56-58.

Analysis on dynam ic characteristic parameter of large-span bowstring arch bridge

FAN Qin-feng

Takingmain Gechougou Bridge as the background,through changing the internal leaning angle of arch rib and suspender layout forms,it calculates and analyzes the dynamic characteristics by applying finite element analysis program MIDAS.The calculation results show that：the transverse fundamental frequency of the structure will increase with the internal leaning angle increasing,structure rigid will gradually amp lify,structural transverse fundamental frequency doesn't has obvious change under three suspender layout forms.

Concrete-Filled Steel Tubu lar(CFST),bowstring arch bridge,barbor engineering

U 448.225

A

1009-6825(2011)09-0196-02

2010-11-26

范琴锋(1982-),男,助理工程师,中铁四院集团广州设计院有限公司,广东广州 510600