三塔混凝土主梁单索面斜拉桥动力特性分析

2021-10-28原国华

山西交通科技 2021年4期

原国华

（山西省交通新技术发展有限公司，山西太原 030012）

三塔斜拉桥作为多塔斜拉桥中的一种典型结构形式，可以在不增加桥梁主跨跨度的情况下增加桥梁的整体跨越能力。根据已有的研究成果，和常规的双桥塔斜拉桥相比，三桥塔斜拉桥结构更柔，对风更为敏感，结构振动模态更为密集。

准确的自振频率与振型是开展桥梁抗震、抗风与车桥耦合振动等研究的基础。分析斜拉桥动力特性的方法有：解析法、近似法、经验法以及数值法等，其中，数值法能够与有限元理论结合使用，已成为计算精度最高、最常用的方法。该文以一座主跨跨径为300 m的三塔混凝土主梁单索面斜拉桥为工程背景，利用有限元程序建立该桥的空间梁单元模型，采用子空间迭代法进行动力特性分析，揭示三塔混凝土主梁单索面斜拉桥动力特性的变化规律，为今后类似桥型的设计与计算提供参考依据。

1 工程背景

我国某市大桥采用跨径组合为（53.5+56.5+2×300+56.5+53.5）m的三塔混凝土主梁单索面斜拉桥，主梁采用单箱四室斜腹板钢筋混凝土箱梁，梁高3.5 m，顶板宽30.5 m，底板宽9 m，两侧悬臂长4 m，顶面设2%双向横坡；该桥在中塔处采用塔梁墩固结，边塔、辅助墩及边墩设置竖向支座及横向抗震挡块；中塔上塔柱采用“人”字形的空心矩形截面，下塔柱采用实心截面；边塔上塔柱为矩形空心截面，下塔柱为单箱四室箱形截面，全桥共设64对平行钢丝斜拉索，主跨索距6 m，边跨索距为6 m和3.5 m。桥梁布置形式如图1所示。

图1 三塔斜拉桥立面与主梁截面构造图（单位：m）

2 有限元分析模型

采用有限元程序建立该桥的空间梁单元模型，主梁与桥塔均采用空间梁单元模拟，斜拉索采用只受拉桁架单元模拟，一根斜拉索划分为一个单元，桥塔与斜拉索、主梁与斜拉索之间均采用刚臂连接，中塔与主梁的固结连接采用共节点的形式模拟，根据施工图约束主梁与桥塔的实际位置。结构自重均由程序根据材料容重自动计入，二期恒载以均布荷载的形式施加，再进行分析将自重与二期恒载转化为质量，采用子空间迭代法进行分析。有限元模型如图2所示。

图2 桥梁有限元模型

3 结构自振特性分析结果

斜拉桥自振特性分析包括自振频率、振型等内容，是深入了解斜拉桥动力性能的基础。表1给出了三塔混凝土主梁单索面斜拉桥前10阶自振特性。

通过对表1给出的三塔混凝土主梁单索面斜拉桥前10阶的自振特性结果可知，桥梁1阶振型为混凝土梁反对称竖向弯曲，两边塔同向纵弯，中塔反向纵弯，对应频率为0.34 Hz，这也是该桥的竖向弯曲基频；2阶振型为中塔侧弯，对应频率为0.39 Hz；该桥的扭转振型出现在第4阶，对应频率为0.58 Hz。

表1 桥梁的自振特性分析结果

4 自振特性的影响参数分析

4.1 辅助墩的影响[1-4]

根据以往研究，辅助墩对斜拉桥的动力特性影响明显。该桥在接近边跨设计了辅助墩，本节建立无辅助墩模型，研究有无辅助墩对桥梁自振特性的影响，分析结果列于表2中。

表2 辅助墩对桥梁自振特性的影响

由表2可看出，不设辅助墩后，斜拉桥的振型序列在4阶后发生变化，竖向振动频率变化也较大，如：1阶竖弯频率由0.34 Hz降为0.31 Hz；2阶竖弯频率由0.49 Hz降为0.44 Hz，但前6阶振型内的横弯频率和扭转频率几乎没变，这表明辅助墩对斜拉桥的竖向振动影响较大，但对横向和扭转振动几乎没影响。