辅助墩对混合梁斜拉桥非线性静动力特性的影响

钟加峰

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430052)

0 引言

混合梁斜拉桥具有主跨跨越能力大、边跨预应力混凝土梁能够总体上提高整座桥的刚度、减小主梁和拉索的疲劳影响、抗风性能和建筑外观得到改善以及主塔和边跨预应力混凝土梁可同时施工等一系列优点［1］。而独塔斜拉桥由于只有一个主塔，可以选择修建在地基条件较好的一边，不但降低了造价，而且整体结构造型美观，被广泛应用于跨径小于400 m的桥梁［2］。而结构形式特殊的混合梁独塔斜拉桥，其受力性能与普通斜拉桥又有所不同，但目前对此类桥型的各方面性能的研究相对较少，因此对混合梁独塔斜拉桥的研究具有一定的工程价值。

本文以混合梁斜拉桥为研究对象，计算分析了辅助墩对其静动力特性的影响［3-5］。

该桥为混合梁独塔双索面斜拉桥，采用整体箱花瓶式塔身，塔梁墩固结体系，承台以上塔身高182 m，主跨跨径为338 m，边跨布置为72 m+56 m+52 m，桥梁全长518 m，斜拉索采用扇形双索面，主梁采用混合梁，其中主跨布置:297 m钢箱梁+41 m预应力混凝土箱梁，边跨均采用预应力混凝土箱梁。混凝土箱梁采用单箱三室结构，箱梁顶面宽36 m，全宽38 m，梁高3.3 m，结构外形与钢箱梁一致，采用支架施工，边跨设置2个辅助墩。立面图见图1。

图1 混合梁斜拉桥立面图（单位：cm）

1 有限元模型的建立

利用ANSYS建立了全桥有限元模型。模型类型采用工程常用的脊梁模式［6，7］，将桥面系的刚度和质量都集中在主梁中间节点，利用刚臂单元连接节点和斜拉索，主塔、主梁和刚臂均采用Beam4单元，斜拉索采用Link10单元，并依据Ernst公式考虑斜拉索的非线性影响。全桥有限元离散模型见图2。

图2 全桥有限元离散模型

2 混合梁独塔斜拉桥在不同辅助墩设置情况下的静动力特性

在下面的分析中，建立了三种辅助墩的设置方式来分析其对混合梁独塔斜拉桥的静动力特性的影响。

结构形式1:边跨设置2个辅助墩，分别距塔72 m，128 m;

结构形式2:边跨设置1个辅助墩，距塔72 m;

结构形式3:边跨不设置辅助墩。

2.1 3种结构形式静力特性分析

由图3可以看出，有辅助墩时，边跨混凝土段及主跨钢箱梁段主梁竖向位移均较小，线形比较平顺，无辅助墩时，主跨与边跨均产生较大的竖向位移。

由图4可以看出，有无辅助墩在主塔附近均会产生较大弯矩，有辅助墩时，混凝土段负弯矩较小;无辅助墩时，混凝土段产生负弯矩较大。综合图3，图4可以看出:辅助墩的设置提高了结构的整体刚度，使弯矩分配更为合理，有利于结构的整体稳定性。

图3 主梁竖向位移

图4 主梁弯矩

2.2 3种结构形式动力特性分析

从表1～表3的数据可以看出:

1)辅助墩的设置对主梁一阶振型的影响比较明显，且使得主梁的基准频率有明显提高;

2)3种结构形式下，各主要振型出现的顺序基本一致，且同一振型下，有无辅助墩对频率的影响并不大;

3)有辅助墩时，主塔侧弯均为第三阶振型，而无辅助墩时为第四阶振型，且频率一样，辅助墩对主塔侧弯频率的影响很小;

4)没有辅助墩时，第三阶振型中主梁以边跨为主的一阶竖弯振型与主塔竖弯振型耦合，而有辅助墩时未出现此振型，辅助墩对边跨的刚度影响明显;

5)有无辅助墩时，主梁扭转频率基本一致，辅助墩对主梁扭转频率的影响较小。

表1 结构形式1频率及振型

3 结语

当混合梁独塔斜拉桥设置不同的辅助墩时，其静动力特性亦随之不同。由以上分析可以得出以下几点结论:

1)辅助墩的设置使结构的受力更加均匀，提高了结构的整体刚度，使整个结构的安全性更高，随着辅助墩个数的增加，结构的整体刚度亦会有所增强，但超过2个时影响有限。

表2 结构形式2频率及振型

表3 结构形式3频率及振型

2)辅助墩的设置提高了结构的基准频率，但辅助墩数量的增加不影响桥梁整体振型出现的顺序，且对其相应的频率影响有限。

3)辅助墩的设置对主梁的扭转频率影响较小。

［1］陈开利，余天庆，习 刚.混合梁斜拉桥的发展与展望［J］.桥梁建设，2005(2):1-4.

［2］陈开利.独塔斜拉桥的建设与展望［J］.桥梁建设，1998(3):33-36.

［3］扬达文.辅助墩对斜拉桥动力性能的影响［J］.广东土木与建筑，2003(6):62-63.

［4］曹永睿，钟铁毅，顾正伟，等.大跨度斜拉桥地震响应分析［J］.铁道建筑，2007(5):23-27.

［5］叶爱君，胡世德.混合式斜拉桥的动力性能分析［A］.第十二届全国桥梁学术会议［C］.1996:601-606.

［6］倪燕平，赵会东，周世军.独塔斜拉桥动力分析［J］.甘肃科技，2005(6):134-137.

［7］王新忠，周永兴，刘 琪.独塔单索面斜拉桥动力特性分析［J］.重庆交通学院学报，2007(6):10-12.

［8］费 梁，谢敏杰，姜长宇.辅助墩对预应力混凝土斜拉桥动力特性的影响［J］.山西建筑，2010，36(5):306-307.