上承式钢管混凝土拱桥动力特性分析

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1、第2期(总第165期)2013年4月中圄彳盛z农CHINAMUNICIPALENGINEERINGNo．2(SerialNo．165)Apr．2013DOI：10．3969／j．issn．1004—4655．2013．02．008上承式钢管混凝土拱桥动力特性分析张强(上海浦东建筑设计研究院有限公司，上海201204)摘要：为研究上承式钢管混凝土拱桥的动力特性，以大型有限元计算软件ANSYS为平台，对跨径为252m的上承式钢管混凝土拱桥——千岛湖1号特大桥建立了空间有限元模型，进行了动力特性分析。通过对前十阶频率和

2、振型的分析，得出结论：面内基频一般较面外基频大，尤其是大跨度拱桥，应注意保证拱的横向稳定性；桥面系的面内振动与拱肋基本同步，桥面系的面外振动受桥面系与拱肋之间联结形式的影响较大，采用立柱或刚性吊杆联结时，二者振动基本同步；通过收集到的大量钢管混凝土拱桥的结构型式和基频计算结果，可得出钢管混凝土拱桥基频随跨径的变化趋势，并由此回归出频率对于跨度的公式，当缺少实测资料时，可作为工程设计中的参考依据。关键词：上承式钢管混凝土拱桥；动力特性；自振频率中图分类号：U448．511文献标志码：A文章编号：1004—4655(

3、2013)02—0022—03钢管混凝土拱桥作为一种新型结构形式，以其跨越能力大，材料和施工的优越性，得到越来越多的应用，具有代表性的如万县长江公路大桥(主跨420m)，巫峡长江大桥(主跨400m)等¨五J。但是地震、风振、车振等问题也是该类桥梁无法回避的，所以该类桥梁的动力特性也日益引起重视。桥梁的动力特性包括自振频率、振型及阻尼比等，反映了桥梁的刚度指标。影响结构动力特性因素主要取决于结构的组成体系、刚度、质量分布以及支承条件等¨J。目前对于钢管混凝土拱桥的动力特性研究也做了不少工作，但大部分均以中、下承式拱

4、桥为主，对上承式大跨度钢管混凝土拱桥的研究尚不多。本文以跨径252ITI的上承式钢管混凝土拱桥一一千岛湖1号特大桥为例，对其动力特性进行了研究，并通过收集到的大量钢管混凝土拱桥的资料，回归出频率对于跨度的简化公式，当缺少实测资料时，可以作为工程设计中的参考依据。1有限元模型杭州千岛湖1号特大桥是跨越在千岛湖上的1座特大桥，主桥采用净跨252m钢管混凝土桁架上承式拱桥，净矢跨比为116．5，主拱轴线为悬链线，拱轴系数m=1．756。桥面总宽23ITI，两拱肋间距收稿日期：2013—01—23作者简介：张强(1981

5、一)，男，工程师，硕士，主要从事桥梁设计工作。22为16In，拱肋为等截面钢管混凝土桁架式结构，拱肋高5ITI，宽度为2．5nl。拱肋上立柱间距为10m，拱顶采用2道横撑和8道K撑对称布置。采用大型通用有限元计算软件ANSYS，建立了该桥有限元分析模型(见图1)。全桥共设置空间节点4301个，划分各类单元7482个。其中拱肋的主弦杆、缀板采用空间梁单元模拟(Beaml89)；腹杆采用空间梁单元模拟(Beam4)；风撑和拱上立柱采用空间梁单元模拟(Beam4)；横梁采用空间梁单元模拟(Beam44)；桥面板采用空间

6、梁单元模拟(Beam44)；按照各构件的几何特性不同区分为11种单元。图1千岛湖1号特大桥三维有限元分析模型2动力特性分析2．1模态分析本文用ANSYS有限元软件对千岛湖1号特大桥进行模态分析，采用子空间迭代法进行求解，一中圄彳放工朽张强：上承式钢管混凝土拱桥动力特性分析2013年第2期般情况下，结构的前几阶频率和振型对结构起控制作用，因此计算取用前十阶模态，图2～图5依次为前四阶振型图，每个图中的4个子图分别从各个方向观察。千岛湖1号特大桥基频为O．36Hz，基本周期2．78S，说明该桥属于较柔性的结构。因此在

7、该桥设计过程中不应轻视其动力方面问题，并且在动力分析中要注意考虑高阶振型的影响。图2第一阶振型图X眵妒鼍飞图3第二阶振型图yX■■■■■■●—■●■IZ图4第三阶振型图yx圈—巴～图5第四阶振型图各阶振型特征描述见表1。表1千岛湖1号特大桥模态分析结果序号频率振型特征1O_3628拱肋面外一阶对称弯曲20．5716拱肋面外一阶反对称弯曲拱肋面内一阶反对称弯曲；桥面系面内一阶反3O．6190对称弯曲41．0266研皿糸咖外一阶对称弯曲珙肋面内二阶对称弯曲；侨回糸回内二阶对称51．0759弯曲61．3986移F咖糸回

8、外一阶反对称弯曲71．5648拱肋面外二阶对称弯曲拱肋面内二阶反对称弯曲；桥面系面内二阶反81．7422对称弯曲珙肋面内三阶对称弯曲；轿回糸皿内三阶对称91．898l弯曲102．0072拱肋扭转、面外弯曲耦合；桥面系扭转对于大跨径钢管混凝土拱桥振型分析，包含面内或面外振动的空间振型，同时又包含两者耦合的振型，故在分析它们的自振特性时，应采用三维空间模型。通过本例的振型分析