大跨度钢箱梁斜拉桥自振特性影响因素分析

檀威 李琼

摘 要：本研究以“鱼骨刺”Midas模型模拟单箱五室薄壁钢箱梁斜拉桥，在成桥状态下进行大跨度钢箱梁斜拉桥自振特性影响因素分析，结果表明：自重及初索力变化对钢箱梁斜拉桥的自振特性影响较小;斜拉桥振型不随拉索增减的变化而变化，钢箱梁斜拉桥的面内振动频率随着拉索数量增加而降低，钢箱梁斜拉桥的面外振动频率随着拉索减少增加而提高;斜拉桥振型不随索塔刚度的变化而变化，钢箱梁斜拉桥的振动频率随着索塔刚度增加而提高。

关键词：钢箱梁;自由振动;基频;振型

中图分类号：U445.4   文献标志码：A     文章编号：1003-5168（2022）6-0069-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.06.016

Analysis of Factors Affecting Natural Vibration Characteristics of Long-Span Steel Box Girder Cable-Stayed Bridge

TAN Wei  LI Qiong

（Hubei Dacheng Engineering Management Co.， Ltd.， Wuhan 430000，China）

Abstract： It is the basis of studying the dynamic characteristics of various Bridges. In this study， the "Fish bone spur" Midas model is used to simulate the single-box five-chamber thin-walled steel box girder cable-stayed bridge， and the factors influencing the natural vibration characteristics of long-span steel box girder cable-stayed bridge are analyzed in the completed state. The results show that the variation of dead weight and initial cable force has little influence on the natural vibration characteristics of steel box girder cable-stayed bridge. The vibration mode of the cable-stayed bridge does not change with the increase or decrease of cables， the in-plane vibration frequency of the steel box girder cable-stayed bridge decreases with the increase of cables， and the out-of-plane vibration frequency of the steel box girder cable-stayed bridge increases with the increase of cables. The vibration mode of cable-stayed bridge does not change with the rigidity of cable tower， but the vibration frequency of steel box girder cable-stayed bridge increases with the rigidity of cable tower.

Keywords： steel box girder; free vibration; the fundamental frequency

0 引言

自由振動是影响桥梁寿命和安全的重要因素[1]，也是斜拉桥桥梁动态系统的固有属性[2-3]，它是研究各种桥梁动力特性的基础[4]。中华人民共和国成立以来，斜拉桥在设计、施工各方面均取得了极大的进展，但对其钢箱梁斜拉桥动力特性的研究却较少[5-6]。因此，对斜拉桥的自由振动特性分析变得十分重要。本研究以“鱼骨刺”Midas模型模拟单箱五室薄壁钢箱梁斜拉桥，分析了斜拉桥前10阶的频率和振型。同时对比分析了是否考虑自重及初索力、斜拉索数量增减、索塔刚度三个因素对钢箱梁斜拉桥自振特性的影响。

1 钢箱梁斜拉桥工程概况

该桥为半漂浮五跨连续双塔双索面钢箱梁斜拉桥，其中主桥长964 m，跨径组合为48 m +204 m +460 m +204 m +48 m。钢箱梁总宽38.8 m，双向6车道。主梁为全焊流线型扁平钢箱梁（较一般扁平钢箱梁具有更优越的抗风性能和更大的抗扭刚度），采用单箱五室薄壁结构。索塔采用分离式倒“Y”形，为预应力混凝土结构。支座为永久竖向支座、横向抗风支座。斜拉索采用高强度低松弛镀锌平行钢丝外挤包高密度双层聚乙烯护层制成，全桥共设置72对，具体如图1所示。

2 自振特性分析

2.1 有限元模型

采用大型有限元程序Midas建立“鱼骨刺”模型，对该桥进行空间梁格受力分析，主要包括主塔、主梁、拉索、主梁和拉索刚臂。主塔采用梁单元模拟，沿塔身采用变截面;主梁也采用梁单元模拟，横隔板及一些细部构造的刚度未模拟，其平动质量通过计算折算到单元材料特性中，未考虑其扭转质量效应;拉索使用桁架单元模拟，给单元施加初应变来模拟索力;在钢箱梁建立刚臂单元与拉索连接。刚臂单元具有很大的刚度，没有质量，只起传递拉力和弯矩的作用。主梁配重段配重及二期恒载重量通过静力荷载来模拟，然后通过Midas的荷载转化为质量功能，考虑这些重量对结构的质量作用。边界条件：该桥属于半漂浮体系，约束条件见图2。

2.2 自振特性分析

按照斜拉桥的设计成桥状态对斜拉桥进行空间分析，在成桥状态下，该桥主要承受自重、斜拉索初张力。对该桥空间模型进行10阶模态分析，频率、周期、振型结果见表1。

前10阶模态振型如图3所示。

从振型分析结果可以看出如下4点。

①结构前八阶频率都在1 Hz以下，说明该桥整体体系较柔。

②前两阶振形为竖弯、第三四阶振形为横弯，这是由于钢箱梁宽高比较大，横向刚度比竖向刚度大。

③塔柱承台以上160 m高、下横梁以上120 m高的桥塔容易参与体系的整体振动，包括横向、纵向的振动。

④就主跨、边跨、辅跨来说，主跨刚度相对最小，振动变形最明显;辅跨刚度最大，振动变形最不明显。

3 影响钢箱梁斜拉桥自振特性因素分析

3.1 自重及初索力对自振特性的影响

采用“鱼骨刺”midas civil建立钢箱梁斜拉桥有限元模型，在考虑自重及初索和不考虑自重及初索力两种情形下进行斜拉桥自振特性分析。自振特性对比结果见表2。

从表2得出，未考虑自重及初索力与原始模型频率差值在0.11%～2.33%，说明自重及初索力变化对钢箱梁斜拉桥的自振特性影响较小，分析钢箱梁斜拉桥进行自振特性时可忽略其影响。

3.2 斜拉索数量增减对自振特性的影响

斜拉索包括索体、锚具和过渡段三部分，斜拉索主要将荷载通过受拉方式传递索塔。本文将初始模型中的72对拉索数目减半进行钢箱梁斜拉桥自振特性分析，自振特性对比结果见表3。

从表3得出，斜拉桥振型不随拉索增减的变化而变化，钢箱梁斜拉桥的面内振动频率随着拉索数量增加而降低，钢箱梁斜拉桥的面外振动频率随着拉索减少增加而提高。

3.3 主塔的刚度对自振特性的影响

索塔和桥墩是斜拉桥将上部结构的恒载和活载传到地基的部件。混凝土索塔结构为压弯构件，塔自重、钢箱梁恒载及移动荷载竖向分力组成竖向压力，索的水平力、風力、温度力等荷载产生弯矩。将主塔各截面尺寸增大50%后对钢箱梁斜拉桥进行自振特性分析，自振特性对比结果见表4。

从表4得出，钢箱梁斜拉桥振型不随索塔刚度的变化而变化，前10阶频率增大在0.28%～22.5%，表明索塔刚度对基频影响较大，钢箱梁斜拉桥的振动频率随着索塔刚度增加而提高。

4 结论

本研究采用“鱼骨刺”Midas建立钢箱梁斜拉桥有限元模型，通过分析前10阶自振特性，得到如下4点结论。

①结构前八阶频率都在1 Hz以下，说明该桥整体体系较柔;主跨刚度相对最小，振动变形最明显;辅跨刚度最大，振动变形最不明显。

②自重及初索变化对钢箱梁斜拉桥的自振特性影响较小，分析钢箱梁斜拉桥进行自振特性时可忽略其影响。

③斜拉桥振型不随拉索增减的变化而变化，钢箱梁斜拉桥的面内振动频率随着拉索数量增加而降低，钢箱梁斜拉桥的面外振动频率随着拉索减少增加而提高。

④斜拉桥振型不随索塔刚度的变化而变化，钢箱梁斜拉桥的振动频率随着索塔刚度增加而提高。

参考文献：

[1]沈兆坤.桥梁结构自振特性测试分析方法研究[D].重庆：重庆交通大学，2014.

[2]蔡勇.大跨直立混凝土斜拉桥体系动力性能分析[J].大科技，2017（31）：195-196.

[3]李湛.半漂浮体系斜拉桥动力特性的有限元分析与试验研究[J].公路交通科技（应用技术版），2010，6（12）：237-239.

[4]童忠选.大跨度斜拉桥车桥耦合振动的动力性能分析[D].长沙：长沙理工大学，2013.

[5]佚名.高速行车时多塔斜拉桥动力性能研究[J].铁道标准设计，2017，61（5）：96-100.

[6]姜凯.大跨度混凝土斜拉桥动力分析[D].成都：西南交通大学，2009.