单拱肋外倾式钢管混凝土拱桥动力特性分析

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1、第３６卷第５期武汉理工大学学报（交通科学与工程版）Ｖｏｌ．３６Ｎｏ．５２０１２年１０月ＪｏｕｒｎａｌｏｆＷｕｈａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＯｃｔ．２０１２（ＴｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ＆Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ）单拱肋外倾式钢管混凝土拱桥动力特性分析连岳泉１）２）梁群（武汉理工大学土木工程与建筑学院１）２）武汉４３００７０）（安徽省交通规划设计研究院合肥２３００８８）摘要：章江大桥为国内少有的单拱肋外倾式钢管混凝土拱桥．通过建立ＡＮＳＹＳ空间有限元模型来计算分析其自振频率和振型，着重研究主拱肋核心混凝土标号、稳定拱肋外倾角度、横撑与斜撑布置形式以及拱肋与桥面

2、联结区刚度等结构参数对结构动力特性的影响．关键词：单拱肋；外倾式；钢管混凝土拱桥；动力特性中图法分类号：Ｕ４４８．２３ｄｏｉ：１０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．２０９５－３８４４．２０１２．０５．０２５０引言梁长１０４ｍ，其余为预应力混凝土梁．主桥拱肋由通过端锚板相互连接的３根二次抛物线型的钢管伴随着国民经济的迅猛发展，钢管混凝土拱组成，包括１根主拱肋和２根对称的稳定拱肋．主桥正向大跨径和新颖美观的异型方向迅速迈进．拱肋位于竖直平面内，外径１．８ｍ，其计算跨径然而跨径攀升和结构异形化的同时，其力学性能１５８ｍ，矢跨比为１／４．７５，内灌Ｃ５０微膨胀混凝问题也突显出来，尤其是其动力特性．异型钢管

3、混土；２根稳定拱肋对称布置于竖直面，与竖直平面凝土拱桥的美学问题与动力性能之间的矛盾在今夹角２１．８°，外径１．２ｍ，稳定拱肋在其平面内矢后是值得关注和解决的难题．结构动力特性是其高为２８ｍ，仅在与主拱肋联结端灌注混凝土．主他动力学问题研究的起点，因此要研究异型钢管混拱肋与稳定拱肋之间通过横撑及斜撑相连．章江［１］大桥主桥里面布置图见图１．凝土拱桥的动力学问题，必须掌握其动力特性．１工程背景２建立模型章江大桥属赣州市重点工程，是一座集城市章江大桥主桥结构以及拱肋受力均较为复交通和城市景观功能于一体的城市主干道桥梁．杂，故基于ＡＮＳＹＳ建立章江大桥主桥的空间模主桥为４８ｍ＋１５８ｍ＋４８ｍ的

4、３跨飞燕式单拱型．对其进行动力特性分析需要做合理的假定以肋外倾钢管混凝土拱桥．桥面宽３４ｍ，主跨钢箱及模型简化．图１章江大桥主桥里面布置图收稿日期：２０１２－０５－２４连岳泉（１９６２－）：男，硕士，副教授，主要研究领域为大跨径桥梁结构分析与施工控制第５期连岳泉，等：单拱肋外倾式钢管混凝土拱桥动力特性分析·９８５·针对整桥的动力分析，需要忽略吊杆、系杆等表１章江大桥前十阶振型次要局部柔性结构的低频振动．本桥吊杆有１６序列频率值／Ｈｚ振型特征对，若不对其进行建模忽略，则整桥振动振型前很１０．６０３拱肋侧弯２１．２５７拱肋侧弯多阶频率都是柔性吊杆的振型，甚至得不到整桥３１．９１９拱肋侧弯振型．

5、在建模时可将吊杆、系杆处理为单单元．主４２．００６拱肋与桥面对称竖弯拱肋由钢和混凝土２种材料组合而成，分析时假５２．２０３拱肋扭转６２．３３９拱肋侧弯定钢管和拱肋中的混凝土之间粘结好，无相对滑７２．５２５拱肋与桥面反对称竖弯［２］移．可采用统一理论，建立韩林海钢管混凝土本８２．６７５拱肋侧弯，桥面扭转［３］构模型，通过计算可得到基于该理论下的钢管９３．０１３拱肋扭转１０３．０９６拱肋与桥面对称竖弯混凝土组合材料非线性应力－应变关系．得到的主拱肋和灌注混凝土的稳定拱肋应力－应变关系见图２．图３章江大桥主桥拱肋侧弯一阶振型图４章江大桥主桥拱肋侧弯二阶振型图２钢管混凝土拱肋应力－应变关系在结构的

6、构件交汇区域，诸如拱肋或Ｖ形墩图５章江大桥主桥拱肋竖弯一阶振型与混凝土梁联结区域，是由２个或数个构件组成为一个刚度很大的区域———刚性区，可通过采用［４］刚性材料法来模拟，即增大材料的弹性模量来提高构件的刚度，以防这些区域模拟失真给整桥图６章江大桥主桥拱肋竖弯二阶振型计算结果带来误差．章江大桥主桥ＡＮＳＹＳ模型单元类型分为Ｂｅａｍ１８８，Ｓｈｅｌｌ６３和Ｌｉｎｋ１０三种，用Ｂｅａｍ１８８来模拟主拱肋、稳定拱肋、横撑、斜撑、拱脚、Ｖ构、立柱和立柱系梁；用Ｓｈｅｌｌ６３来模拟钢箱梁和混凝土箱梁的顶板、底板、腹板和横隔板等；用Ｌｉｎｋ１０［５］来模拟吊杆和系杆．全桥模型除设定３种单元类型外，还设

7、置实常数１７类，材料种类１７种，耦合集２２组，建模形成关键点７２４个，线１５１５条，图７章江大桥主桥拱肋扭转一阶振型面７１２个．各类构件单元经过网格划分，得到各类单元５６７４个，共计节点４９９６个．３动力特性分析通过对章江大桥主桥进行ＡＮＳＹＳ模态分析，可得到各阶频率以及该频率下所对应的振型．由于章江大桥各阶振型较为复杂，现列出前１０阶图８章江大桥主桥拱肋扭转二阶振型振型，见表１．拱肋侧弯、竖弯及扭转前二阶振型见图３～８