大跨径钢管混凝土系杆拱桥动力特性分析

宋晓妤

（绍兴袍江大桥建设工程指挥部，浙江绍兴 312071）

0 前言

钢管混凝土系杆拱桥的出现顺应了拱桥不断向大跨度、轻型化方向发展的趋势。飞燕式系杆拱桥是拱桥中极具特色的一种桥型,由主跨、边跨、主拱墩及系杆四大部分组成。由于钢管混凝土拱桥跨度大，质量轻，其本身刚度小，同时在设计中又很少考虑其动力特性，从而给此类拱桥的运营带来安全隐患。目前关于该类桥型设计与施工方面的文献报道已较多,但对成桥后结构自身固有动力特性进行分析的文献还较少。本文以绍兴市袍江大桥（五跨飞燕式钢管混凝土拱桥）为研究对象,通过对成桥模态试验，得出其自身的动力特性，并结合理论计算分析，评定成桥的结构特性和设计效果。

1 桥梁概述

袍江大桥位于浙江绍兴袍江经济技术开发区，主桥为带飞燕式边拱的五跨连拱中承式钢管混凝土系杆拱桥。跨径为40 m+3×185 m+40 m，拱轴线形式为二次抛物线，矢跨比为1/4，拱肋截面形式为桁架式。桥面宽45 m，吊杆横梁通过湿接头与桥面板联成整体，在承受二期恒载和活载时成为钢混叠合梁。设计荷载为汽车—超20级，挂车—120，人群活载为4.0 kN/m2。

上下游拱肋位置处各设6根柔性系杆以平衡拱肋的水平推力。吊杆为可换式双吊杆。

2 理论计算

2.1 计算模型

根据该桥的结构形式和受力特点，利用MIDAS/Civil建立桥梁的空间分析模型，如图1所示。模型中采用梁单元和板单元模拟主拱、边拱及吊杆横梁和桥面系；采用只受拉单元模拟吊杆和系杆。在计算中将两根相邻的吊杆简化为一根处理。

2.2 模态分析

利用MIDAS/Civil软件模态分析功能，提取该桥前5阶模态参数（频率、振型）。该桥前5阶模态参数见表1所示，前5阶振型如图2～6所示，包括面外一阶对称模态、面外一阶反对称模态、面内一阶反对称模态、面内扭振模态、面内一阶对称模态。

表1 成桥状态自振频率及振型特征(前5阶)一览表

图2 面外一阶对称振型图

图3 面外一阶反对称振型图

3 脉动试验

脉动试验是通过在桥上布置高灵敏度的拾振器，首先记录桥梁结构在环境激励下，如风、水流、地脉动等引起的桥梁振动，然后对记录的振动时程信号进行处理，并进行时域和频域分析，求取桥梁的结构自振特性。

通过对采集到的脉动信号进行剪切、滤波、加窗、细化等处理，经频域和时域分析，得到了该桥中跨结构前5阶自振频率和振型。实测自振频率列于表2，振型如图7～图11所示。

表2 实测成桥状态自振频率及振型特征(前5阶)一览表

图7 面外一阶对称模态

4 面内振动特性分析

大跨径中承式钢管混凝土拱桥面内振动频率的简化计算公式如下：

反对称基频，对称基频：据简化计算公式可得该桥面内反对称及对称频率分别为0.86 Hz、1.37 Hz。与计算值0.90、1.33较为接近，该桥理论计算频率较符合实际。

5 结论

（1）从各阶振型可以看出，飞燕式系杆拱桥的振动主要有拱肋的面外振动、面内振动和扭转振动3种形式。

（2）在桥梁的振动中首先出现的是拱肋的面外振动,且面外振动基频小于面内基频。这是由于钢管混凝土拱桥拱肋的面外刚度相对较小,而桥梁面内、外刚度相差又比较大的缘故。

（3）由于桥面系面外刚度相对较小,而面内刚度较大,反映在振型特征上有侧弯变形。飞燕式系杆拱桥的桥面系通过吊杆、系杆与钢管混凝土拱肋连成了整体结构,从振型上可以看出桥面的竖向振动为该桥梁体系的整体竖向振动。

（4）该桥结构各阶实测自振频率均高于理论计算值，说明成桥结构的动力特性优良、整体刚度优于设计值，成桥状态满足设计要求。

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