地锚式人行悬索桥静动力特性研究

李浩然 黄伟 金旭光

摘要：地锚式人行悬索桥跨越能力优越，结构受力合理安全，不需要修建桥墩等优点，被广泛修建于山区峡谷等条件恶劣的环境中，但是因为仅考虑满足行人行走的原因，加劲梁宽度一般为2m到5m，随着跨径的增大，结构长细比急剧减小，稳定性较差。于是建立精确的人行悬索桥模型，对其进行静动力特性分析具有重要的理论意义和工程应用价值。

Abstract： The ground anchor type pedestrian suspension bridge has superior spanning capacity， reasonable structural and mechanical strength， and does not need to build bridge piers， so it is widely built in harsh conditions such as mountain valleys， but because it only considers the reasons for pedestrian walking， generally the stiffening beam width is 2m to 5m. As the span increases， the slenderness ratio of the structure decreases sharply and the stability is poor. Therefore， the establishment of an accurate pedestrian suspension bridge model and the static and dynamic characteristics analysis has important theoretical significance and engineering application value.

关键词：人行悬索桥;静力分析;模态分析;有限元模型

Key words： pedestrian suspension bridge;static analysis;modal analysis;finite element model

中图分类号：U445                                      文獻标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）09-0130-03

1  工程概况

勾儿滩人行悬索桥位于湖北省兴山县古洞口水库，桥跨布置采用（15.5+150+15.5）m地锚式单跨双铰悬索桥，主桥主梁采用纵横梁格钢结构体系，引桥为混凝土空心板梁桥。全桥共2根主缆，为分段悬链线型，每根主缆由19根Φ28mm（6×19W+IWR）钢芯镀锌钢丝绳组成，吊杆选用6×19S+FC型纤维芯钢丝绳，全桥共73对吊杆，吊杆顺桥向间距为2.0m，加劲梁横梁采用两根[32a槽钢，纵梁采用[16槽钢，桥面采用厚10mm花纹钢板。主塔为矩形截面钢筋混凝土结构，全桥立面布置如图1所示。

2  空间有限元建模

2.1 建模说明

地锚式人行悬索桥的基本受力构件包括：主缆、吊杆、加劲梁和索塔。本文采用MIDAS CIVIL有限元程序建立空间结构模型，全桥共3645个单元，其中采用非线性空间索单元模拟主缆和吊索，且具有一定的初始几何刚度，采用空间梁单元模拟加劲梁和桥塔，桥面板使用壳单元模拟。悬索桥模型桥塔底部及主缆锚固点边界条件设置为固结约束形式，加劲梁两端边界条件按简支梁多支座的设置方法来约束自由度，索塔顶端将索单元与梁单元进行主从刚性连接，并释放X方向自由度来模拟索鞍的作用。全桥空间有限元模型如图2所示。

2.2 建模过程

采用MIDAS CIVIL有限元程序建立悬索桥模型包含以下三个步骤：

①初始模型：使用悬索桥建模助手，输入控制节点坐标、材料截面特性值与桥面系荷载，根据节线法确定的初始主缆线形建立悬索桥结构的初始模型。

②初始模型修改：悬索桥建模助手建立的初始模型为鱼骨式加劲梁简化模型，需要根据悬索桥实际情况修改初始模型的结构类型、尺寸与边界条件。

③精细化模型建立：完成以上步骤后，使用悬索桥分析的悬链线法对悬索桥进行迭代找形，得到精确的主缆成桥线形。

建模完成后，需要在后处理模式下查看位移计算结果，保证成桥位移满足要求之后才能进行结构后续静动力特性分析。

3  人行悬索桥静力分析

静力特性分析是通过计算结构内力、变形来反映桥梁的受力规律与设计特征。基于已建立的人行悬索桥模型，提取结构内力与变形结果，并进行分析。

3.1 索单元内力计算结果

主缆与吊杆是悬索桥的主要受力结构，分析恒载作用下的主缆与吊杆内力分布规律，可以更好的对悬索桥的内力状态进行分析。主缆与吊杆内力分布如图3、图4所示。

由图3可知，在自重荷载作用下，主缆内力范围处于1440～1520kN之间，主缆节段最大内力值为1518.5kN，位于索鞍处。主缆内力值随顺桥向坐标均匀变化，呈现减小趋势，且成悬链线形，说明该人行悬索桥主缆受力符合设计要求。

由图4可知，在自重荷载作用下，吊杆内力范围处于8～11kN之间，由于边吊杆距离索塔3m与吊杆间距2m有所不同，边吊杆承受更大的桥面系荷载，所以边吊杆内力最大，为10.9kN。其余吊杆内力随顺桥向坐标均匀变化，呈减小趋势。说明该人行悬索桥吊杆受力符合设计要求。

3.2 位移计算结果

采用MIDAS CIVIL建立完人行悬索桥模型后，需要查看自重作用下全桥位移计算结果来验证模型的正确性。如果全桥位移值趋近于0，说明主缆找形正确，桥梁结构受力处于平衡状态，反之说明悬索桥找形分析不准确，悬索桥未达到受力平衡状态。勾儿滩人行悬索桥成桥阶段全桥位移计算结果如图5所示。

由图5可知，在自重荷载作用下，桥梁位移趋近于0，说明主缆找形正确，模型主缆坐标为设计成桥线形，全桥结构处于平衡状态，也进一步验证了该建模方法的正确性。

4  人行悬索桥模态分析

地锚式人行悬索桥这一类型结构的模态分析对设计与运营有着至关重要的影响，以下基于MIDAS CIVIL有限元程序，采用Lanczos法进行模态分析，并列出桥梁前6阶自振特性與振型图，如表1、图6～图11所示。

由表1、图6～图11可知，该人行悬索桥前6阶模态振型以主梁竖弯和横弯为主，基频为0.34Hz，远小于规范要求的人行桥不小于3Hz的要求。综上所述该类人行悬索桥结构普遍纤柔，横向与竖向刚度较为薄弱，结构基频较小，导致在外界荷载的作用下，容易产生主梁竖向与横向振动，从而使行人产生不舒适感。

5  结语

通过建模分析可知，勾儿滩行人悬索桥受力符合设计要求，主缆与吊杆内力分布随着顺桥向坐标规律变化，主缆最大内力为1518.5kN，吊杆最大内力为10.9kN。满足材料的受力范围。该桥基频为0.34Hz，振型为主梁一阶对称横向振动，说明该类人行悬索桥结构普遍纤柔，横向刚度较小，在外界荷载作用下容易产生晃动，从而使行人产生不舒适感。可以采用抗风缆、中央扣等抗风措施来增大结构基频，从而减小结构振动。

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