移动载荷下大跨度斜拉桥的力学分析

侯帅波

（邢台路桥建设总公司，河北 邢台054000）

随着我国交通建设事业的发展以及城市化进程的加快，斜拉桥已经广泛的应用于铁路桥梁以及公路桥梁等建设领域，同时由于斜拉桥跨度的增大以及轻质高强材料的出现，斜拉桥结构向着轻巧柔细方向发展，在人群、车辆、地震和风荷载的作用下，必然会引起种种振动现象，因此对斜拉桥，特别是大跨度斜拉桥进行固有振动分析和动力反应分析就显得非常重要。

本文对大跨度斜拉桥在移动载荷下应用ANAYS 软件计算分析目的是为了更直观地显示主桥在各种移动载荷下的应力曲线。

本文将一个连续介质体的问题近似地离散为由适当选取的有限个单元、有限个结点连接起来的集合体加以分析，用主梁重要截面的弯矩作为控制条件，简化工程问题，抽象模型，确定求解数据，然后根据待分析问题的数学力学模型和有限元软件的功能，输入待分析问题的定解数据，并进行有限元剖分，形成分析问题的有限元模型。

1 建立模型

本次设计是针对倒Y形连塔斜拉桥进行静力和动力分析。在分析过程中用到的所有数据及参数均以标准施工图为准。

某桥梁全长为720m，上部构造主塔高162m，桥面宽28m，桥主梁结构如图1所示。主塔构造的截面图见图2。

本文研究的目的只是宏观模拟倒Y形连塔斜拉桥的静力和动力特性，需要对实际施工模型数据源进行合理的简化。

2 施加荷载

模型建立后，在一些特殊位置施加静载荷，观察变形、内力，主要是危险截面的应力，为施工提供合理化建议。

2.1 工况一：两端加载

先在主塔两端施加均布力20kN/m2，其中间施加集中力300kN，然后，在主塔两端施加均布力50kN/m2，其中间施加集中力600kN，在主塔两端加载后做出数据图进行数值分析。

（1）z方向变形

两次加载后最大变形分别为0.123 942m，0.277 417m，最大变形出现在两主塔中央截面。在主塔两端施加了载荷，主塔的最大变形减小，不加外载时，在自重作用以及拉索初应力的作用下，主塔尖端产生了较大的变形。第一次施加的载荷较小，产生的弯矩传递到两主塔之间的桥面，增加了最大变形，位置仍然在两主塔之间的中央截面。第二次加载施加的集中力和均布力都较大，产生的影响也较大，弯矩传递到两主塔之间的桥面，结果两主塔之间的中央截面位移增大。可见整个梁桥变形是连续的。

（2）x方向变形

两个变形图中显示最大变形分别为0.123 942m，0.277 417m。第一次加载时最大变形出现在右侧桥面的一端，产生这个结果的原因是由于该端施加的约束较少，在荷载的作用下此处的变形较大，进而沿着x轴方向的应力也集中在该处，因此该处比较危险，要优先考虑。第二次加载后最大变形出现在右主塔塔尖上，这是由于第二次加载均布力数据较大，传递的弯矩也较大，使得原来最大拉应力位置的拉应力减小了很多，同时由于桥两端的约束不同，在主塔上沿着x方向产生的变形也不同，因此在第二种荷载的作用下沿着x轴方向的最大变形产生在右塔塔尖处，因此在设计和施工的过程中应特殊考虑。

（3） 节点位移

相对于以上两个变形图，节点位移图变化比较单一，两次加载过程中，节点的最大位移均出现在桥的最右端，也就是约束最少的一端。最大位移分别为0.123 942m，0.277 417m。最大的拉力产生于主塔右侧最低端的一组钢缆，最大的压应力产生在两主塔的上锁塔部分。

2.2 工况二：两主塔中间加载

先在两主塔中间施加均布力20kN/m2，中点处施加集中力300kN ，然后在两主塔中间施加均布力50kN/m2，中点处施加集中力600kN，在两主塔之间加载后做数据图进行数值分析。

（1）z方向变形

两次加载后最大变形分别为0.048 522m，0.112 477 8m。两次加载后最大变形出现在桥的最右端。但两次桥的中间部分都有变形，而且第二次的变形大于第一次，这是由于本模型是混凝土桥，不加外载时，在自重作用以及拉索初应力作用下，桥的中间几乎没有变形，而这两次加载加在了两主塔之间的桥面，均布力的作用相当于加大了自重，集中力的作用是引起挠度更大。同时，外载荷产生的弯矩传递到两主塔两侧的桥面，使得两侧桥面的变形增大。

（2）x方向正应力

最大变形均出现在桥的左半部分，这是由于左端施加了z方向的约束，右端没有施加。两个变形图中显示最大变形分别为0.048 522m，0.124 778m，都是出现在桥左半边部分的拉索上，由于外载荷和自重产生的弯矩相互影响，即主塔之间桥面载荷产生的弯矩传递到主塔两侧的桥面，都会削弱两侧自重引起的应力，增大了两侧拉索的拉应力。

（3）节点位移

两次加载后钢缆的最大位移均出现在两主塔之间最上端的一组钢缆，位移分别为0.48522m，0.124778m，进而在此处产生的应力也是最大的。两次加载后钢缆的最大压力则出现在两主塔两侧最低端的一组钢缆，因为此处的变形是最小的。

3 斜拉桥的动力特性分析

因为设计出的结构在正常条件下不应出现共振，这就意味着结构分析必须找出其自振频率，故有必要对其动力特性进行精确、高效的计算分析。

自振特性对正确进行桥梁的抗震设计、健康监测和维护具有十分重要的意义，是抗震设计的主要参数。在设计阶段，通过改变桥梁结构的响应性能，或者添加结构隔振设施，从而使桥梁结构产生的振动不传给支座，这都可以降低激振力和位移。模态分析主要用于确定结构的振动特性，即通过研究无阻尼系统的自由振动，得到振动系统的自然属性。改变结构的质量或刚度，增大结构阻尼，改变结构响应。

[1] 陈星烨，芮伟国. 斜拉桥动力特性分析[J]. 中外公路，2010（10）：162.

[2] 揭更荣. 预应力混凝土斜拉桥施工特点的探讨[J].铁道建筑，1991（4）：1-4.

[3] 龚道勇，张健飞.大跨斜拉桥动力特性有限元建模与分析[J].山西建筑，2010（28）：295-296.

[4] 马宇，杨彩红，马永杰.基于ANSYS 的连续梁桥的动态特性研究[J]. 武汉工程职业技术学院学报，2008（3）：17-19.