钢桁拱静动力特性分析

彭小明 王飞

中交公路规划设计院有限公司，北京100088

拱是一种能与自然环境和谐相融的结构形式，给人以一种浑然天成的美感。钢桁拱刚度大，其稳定性和抗震性能好，在我国城市桥梁中具有较强的竞争力。本文结合工程实例，探讨其静动力特性。

1 工程概况

某钢桁拱桥，双向六车道，公路I级。上、下弦线形均采用二次抛物线；主桁采用变高度的“N”行桁式，全桥采用变节间布置，拱肋上下弦设有平纵联。桥面结构为正交异性钢桥面板，厚14mm，采用闭口“U”肋结构，横隔板纵向按3m一道设置。主桁结构材质采用Q420qD和Q370qD，其余采用Q345qD。主桁节点主要采用M30高强度螺栓连接，联结系采用M24高强度螺栓。

图1 不同工况下索力变化图

2 静力分析

利用MIDAS Civil建立了有限元分析模型，共有节点1504个，单元3519个单元，其中主桁杆件和联结系采用空间梁单元模拟，吊杆采用只受拉杆单元模拟。

实际运营中吊杆的健康状态对于拱桥的安全而言，至关重要。多数拱桥的垮塌和断裂等重大事故大多与其有关，若能进行实时监测，是可以避免的。这里拱肋采用梁单元模拟，吊杆采用只受拉杆单元模拟，桥面系采用梁格体系，建立精细分析模型，精确计算，为设计和后期监测提供参考。

本文分析恒载+活载作用下吊杆损伤对拱桥性能的影响。由于结构的对称性，通过截面积的变化和单侧吊索分析来研究吊杆损伤。分跨中吊杆损伤20%及40%（即截面积减少）、最外侧吊杆损伤20%及40%、吊杆完整等5种计算工况计算拱桥内力影响，结果如图1(仅示出1/2桁吊杆)。

由图1可知，吊杆刚度由于损伤而减小，导致索力重分布。跨中吊杆损伤仅对其周围小范围内其他吊杆有影响，影响大小和损伤程度有关。最外侧吊杆损伤，由于能分担的拉力减小，从而使其相邻吊杆的拉力增大，导致局部吊杆拉力增大。因此，单根吊索损伤会导致其自身张力减小，相邻吊索的张力增大。

3 动力分析

自振特性（自振频率和振型）是桥梁结构的固有特性，反映了桥梁的刚度指标，是桥梁抗风抗震设计的前提和基础。在抗风抗震分析中，结构的动力特性分析是不可或缺的。实际振型是竖向、纵向、横向和扭转四种基本振型中几种或全部在空间上的耦合。经计算，钢桁拱桥成桥状态的前6阶频率和振型详见表1，图2。

表1 成桥自振特性

图2 振型图

4 结语与建议

1）通过对吊杆损伤分析研究，发现吊杆损伤通过对结构刚度的影响导致静张力重分布，使局部杆件内力增大，打破原有结构内力平衡，不利于正常使用状态下的结构安全。

2）从结构的动力特性分析来看，结构体系的面外刚度稍弱，可以通过其他辅助措施加强结构的抗风。

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