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摘要：梁和墩之間的連接形式是影響斜拉橋結(jié)構(gòu)受力的主要因素之一。不同的墩梁連接形式，對(duì)結(jié)構(gòu)的自振特性有著不同的影響。文章通過(guò)時(shí)廣州沙灣大橋設(shè)計(jì)方案的有限元分析和研究，比較了3種墩梁連接形式對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響．為矮塔斜拉橋方案設(shè)計(jì)提供理論參考。...

矮塔斜拉橋三種墩梁連接形式的自振特性研究

楊國(guó)靜，鄭凱鋒

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都  610031)

    矮塔斜拉橋是近年發(fā)展起來(lái)的一種新型體系。它是介于剛性橋型的連續(xù)梁與柔性橋型的斜拉橋之間的一種橋型，與常規(guī)斜拉橋相比，由于矮塔斜拉橋主粱剛度較大，跨徑相對(duì)較小，結(jié)構(gòu)屬于中等周期或短周期的結(jié)構(gòu)。因此，墩梁連接形式的變化對(duì)其自振特性的影響是否與常規(guī)斜拉橋相似，值得關(guān)注。

1.大跨單索面矮塔斜拉橋設(shè)計(jì)方案

    本文以目前正處于設(shè)計(jì)之中的廣州市東沙至新聯(lián)高速公路的沙灣大撟(以下筒稱(chēng)沙灣大橋)為實(shí)側(cè)，對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)體系計(jì)算分析，設(shè)計(jì)方案采用單索面，獨(dú)柱式塔，雙薄壁墩的剛構(gòu)體系；跨徑為(137.5+248+13. 5)m主粱采用預(yù)應(yīng)力混凝土單箱三室結(jié)構(gòu)，全寬34 m，主粱高度按二次拋物線(xiàn)變化，跨中粱高為4 m，支點(diǎn)梁高8.5 m，橋面以上索塔高37.5 m，橋墩高25 m，主梁上索間距為4 m，索塔上索間距為0.8 m。

2.墩梁不同連接形式的計(jì)算模擬

    采用大型有限元軟件Mid/Civil2006建立沙灣大橋有限元計(jì)算模型二主梁、橋塔、橋墩、樁基均采用梁?jiǎn)卧�模擬，斜拉索采用桁架單元模擬。主梁與拉索之間采用主從方式連接，主梁與墩之間采用剛結(jié)形式連接。全橋計(jì)算模型共788個(gè)節(jié)點(diǎn)，679個(gè)單元。該橋有限元模型，即設(shè)計(jì)方案規(guī)定的墩粱剛結(jié)模型。在上述模型的基礎(chǔ)上，通過(guò)改變主梁與橋墩之間連接的自由度．模擬形成墩梁鉸結(jié)模型和無(wú)墩鉸結(jié)模型。

    表1為各計(jì)算模型支座布置形式．表2列出了不同支座形式存右限元模型中的主從關(guān)系。

墩梁剛結(jié)模型	塔粱墩塔梁暾固結(jié)	塔墩固結(jié)	塔梁墩 固結(jié)
墩梁鉸結(jié)模型	縱向活動(dòng)支座、固定支座	縱向活動(dòng)支座	縱向活動(dòng)支座
無(wú)墩鉸結(jié)模型	縱向活動(dòng)支座、固定支座	活動(dòng)支座	縱向活動(dòng)支座

    注UX表示縱橋向水平位移，表示橫橋向水位移，UZ表示豎向位移，RX表示縱向軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)角，Ry表縱橫橋向軸線(xiàn)的轉(zhuǎn)角，Rz表示繞豎向的轉(zhuǎn)角。1表示約束，0表示自自。

3.三種模型的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算分析

    分別對(duì)3個(gè)模型進(jìn)行自振特性分析，所得的前l0階自振頻率及部分振型模態(tài)見(jiàn)表3及圖3-圖5：

    比較墩梁剛結(jié)模型和墩梁鉸結(jié)模型的計(jì)算結(jié)果可看出，在考慮下部結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)相互作用的情況下，結(jié)構(gòu)由墩梁剛結(jié)形式變?yōu)槎樟汇q結(jié)形式時(shí)，主梁的一階頻率由0.33 Hz降低到0.24 Hz，降低了27％，其余面內(nèi)振型頻率也有所降低。這主要是由于主梁沿縱橋向的約束和繞橫橋向轉(zhuǎn)動(dòng)約束在很大程度上得到了釋故。但面外振型頻率基本相同，這主要是由于主粱的抗扭剛度較大，支承形式的變化對(duì)主梁繞縱橋?qū)τ谳S向的轉(zhuǎn)動(dòng)和橫向水平移動(dòng)的影響較小。

    比較墩粱鉸結(jié)模型和無(wú)墩鉸結(jié)模型的自振模態(tài)可看出。無(wú)墩鉸結(jié)模型相對(duì)墩梁鉸結(jié)模型少了以橋墩面內(nèi)振動(dòng)為主的一階模態(tài)；且在同樣模態(tài)下，頻率值血相差較大，無(wú)墩鉸結(jié)模型的一階對(duì)稱(chēng)豎彎頻率比墩梁鉸結(jié)模型大30％．一階反對(duì)稱(chēng)豎彎頻率比墩梁鉸結(jié)模型大28％，一階同向橫彎  頻率比墩梁鉸結(jié)模型大26％。因此．充分考慮下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的相互作用是必要的。

4.結(jié)論

    在保持邊墩支承條件不變的情況下，通過(guò)改變墩粱連接形式計(jì)算分析橋梁的動(dòng)力特性，可以得到以下結(jié)論：墩梁連接形式的改變不僅會(huì)影響振型的頻率值，而且也會(huì)影響振型模態(tài)。墩粱連接形式由剛結(jié)變?yōu)殂q結(jié)時(shí)，對(duì)主梁面內(nèi)振動(dòng)影響較大，且面內(nèi)振型頻率有所降低，對(duì)面外振型頻率基本無(wú)影響，在分析矮塔斜拉橋的動(dòng)力特性以及抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該充分考慮下部結(jié)構(gòu)與上部結(jié)構(gòu)的相互影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]王伯惠，斜拉橋結(jié)構(gòu)發(fā)展和中國(guó)經(jīng)驗(yàn)[M]北京：人民交通出版社．2004

[2]劉世忠，歐陽(yáng)永金，獨(dú)塔單索面部分斜拉橋力學(xué)性能及建設(shè)實(shí)踐[M]北京中國(guó)鐵道出版社2005

(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)

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