某超大跨度斜拉橋動(dòng)力特性分析

1、第卷第期年月現(xiàn)代交通技術(shù)某超大跨度斜拉橋動(dòng)力特性分析施文杰，張亮亮，鄧世貴（重慶大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶）摘要：為了研究某超大跨度半漂浮體系斜拉橋的動(dòng)力特性，應(yīng)用有限元軟件對(duì)該斜拉橋建立了空間有限元模型，采用子空間迭代法對(duì)該橋模型的模態(tài)進(jìn)行求解，得到該斜拉橋的自振頻率和振型。分析結(jié)果顯示該超大跨度半漂浮體系斜拉橋具有基本周期長、自振頻率較低、模態(tài)密集、振型相互耦合等特點(diǎn)。關(guān)鍵詞：橋梁工程；斜拉橋；有限元法；動(dòng)力特性；中圖分類號(hào)：文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：文章編號(hào)：（），（，）：，：，斜拉橋因其具有跨越能力大、結(jié)構(gòu)輕巧、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)，近些年來獲得了飛速發(fā)展，成為現(xiàn)代橋梁工程中最具有競爭力的橋型之一，尤其是在跨

2、?？缃煌üこ讨芯哂酗@著的優(yōu)勢。隨著斜拉橋跨度的不斷增大，其結(jié)構(gòu)剛度越來越小，在車輛荷載、風(fēng)荷載和地震荷載作用下，可能引起橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部疲勞損傷，或會(huì)影響橋上行車舒適和安全，甚至使橋梁結(jié)構(gòu)破壞。因此，超大跨度斜拉橋的動(dòng)力特性和結(jié)構(gòu)性能分析就顯得尤為重要析結(jié)構(gòu)自由振動(dòng)時(shí)的動(dòng)力方程為：" 剛度矩陣；為體系各節(jié)點(diǎn)的位移矢量。! "（）式中：、分別為結(jié)構(gòu)體系的整體質(zhì)量矩陣和與上述個(gè)自由度的模型相對(duì)應(yīng)的特征方程可表示為：）（）由此可解出該系統(tǒng)的個(gè)固有頻率（，）。將回代入式（）可求得對(duì)應(yīng)的特征向量即為結(jié)構(gòu)的振型（，）。斜拉橋動(dòng)力特性有限元計(jì)算理論斜拉橋結(jié)構(gòu)是一個(gè)質(zhì)量和剛度連續(xù)分布的體

3、某超大跨度斜拉橋有限元模型的建立工程概況某跨海大橋主橋采用跨徑布置為（系，結(jié)構(gòu)具有無限多個(gè)自由度，在進(jìn)行有限元分析時(shí)，需要將結(jié)構(gòu)離散為有限自由度的有限元計(jì)算模型，并且由于阻尼對(duì)結(jié)構(gòu)自振特性的影響很小，因此在求解結(jié)構(gòu)的自振頻率和振型時(shí)，通常忽略阻尼的影響。假設(shè)結(jié)構(gòu)具有個(gè)自由度，用有限元法分），全長，為跨連續(xù)半漂浮體系鋼混組合雙塔斜拉橋。索塔采用倒形鋼筋混凝土索塔，塔高。主梁全寬，中跨主梁作者簡介：施文杰（），男，安徽旌德人，碩士研究生，研究方向?yàn)榇罂缍葮蛄嚎癸L(fēng)。第期施文杰，等：某超大跨度斜拉橋動(dòng)力特性分析采用鋼箱梁，邊跨主梁采用混凝土箱梁。斜拉索為空間雙索面扇型斜拉索布置，采用平行鋼絲索，邊跨標(biāo)

4、準(zhǔn)索距，中跨標(biāo)準(zhǔn)索距，每個(gè)索面表構(gòu)件彈模（）密度（）泊松比鋼主梁對(duì)索，全橋?qū)Γǜ?。邊墩包括輔助墩和過渡墩，墩身均采用分離的薄壁箱形空心墩。全橋模型材料性能如表所示。模型材料性能表砼主梁主塔斜拉索邊墩有限元分析模型的建立主梁考慮到該橋主梁采用扭轉(zhuǎn)剛度較大的閉口箱橋向連接采用位移主從的方式進(jìn)行。墩梁間的連接，均是縱橋向相對(duì)自由，橫橋向和豎橋向采用位移主從的方式，主梁的扭轉(zhuǎn)自然受到各墩的約束，不需單獨(dú)考慮。本橋主塔基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，樁徑較大（），樁長較長，而過渡墩和輔助墩的基礎(chǔ)同樣為樁徑為的樁基礎(chǔ)，進(jìn)行有限元分析時(shí)可忽略樁土作用，即認(rèn)為主塔和橋墩底部結(jié)點(diǎn)固結(jié)。按上述處理后，建立的成橋階段有限元模型如圖

5、所示。形截面主梁，本橋主梁計(jì)算模型采用脊梁模式。模型中采用空間變截面梁單元模擬。梁單元的節(jié)點(diǎn)先根據(jù)索在梁上的錨固點(diǎn)劃分，相鄰錨固點(diǎn)之間等分為個(gè)單元，因此全橋主梁共劃分個(gè)節(jié)點(diǎn)，個(gè)單元，梁單元上的節(jié)點(diǎn)通過剛臂與相應(yīng)的索單元連接。二期恒載與橫隔板二期恒載與橫隔板簡化為附加質(zhì)量，在建模中通過修改單元的第個(gè)實(shí)常數(shù)（附加質(zhì)量）來考慮。主塔與橫梁主塔和橫梁均采用空間梁單元模擬。對(duì)塔柱進(jìn)行單元?jiǎng)澐謺r(shí)，將截面變化處和索在塔上錨固點(diǎn)作為梁單元的自然節(jié)點(diǎn)，每根塔柱共劃分為圖某跨海大橋主橋有限元模型個(gè)梁單元。塔橫梁劃分為個(gè)單元。拉索的模擬采用桿單元來模擬斜拉索，由于索的拉應(yīng)力和自重垂度的影響，斜拉索表現(xiàn)出非線性剛度特

6、性，采用提出的等效彈性模量來考慮：計(jì)算結(jié)果及動(dòng)力特性分析運(yùn)用程序采用子空間迭代法求解成橋階段的動(dòng)力特性，計(jì)算了該橋前階無阻尼自振限于頻率。表給出前階自振頻率及振型描述。篇幅，本文給出階、階和階振型圖，如圖圖所示。（）式中：為拉索的有效彈性模量；為拉索單位長度自重；為拉索水平投影長度；為拉索橫截面積；為拉索索力。圖主梁一階側(cè)彎（頻率）過渡墩和輔助墩過渡墩與輔助墩均采用進(jìn)行模擬。柱圖主梁一階豎彎（頻率）式橋墩的模型單元按墩柱的實(shí)心段與空心段進(jìn)行劃分，每個(gè)墩柱均劃分為個(gè)單元。邊界條件的模擬對(duì)于塔梁間的連接，塔梁縱橋向通過設(shè)置相應(yīng)圖主梁一階扭轉(zhuǎn)（頻率）的阻尼單元（）進(jìn)行連接，塔梁橫橋向和豎表階次成橋狀

7、態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性振型特點(diǎn)主梁縱飄主梁階對(duì)稱側(cè)彎主梁階對(duì)稱豎彎主梁反對(duì)稱豎彎主塔反向側(cè)彎主塔同向側(cè)彎主梁反對(duì)稱側(cè)彎現(xiàn)代交通技術(shù)年斜拉橋（）振型表現(xiàn)出明顯的相互耦合的特點(diǎn)。結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，構(gòu)件相對(duì)很多，所以其整體動(dòng)力特性中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)橋梁各組成部分振動(dòng)耦合的情況。如該橋第階主梁對(duì)稱側(cè)彎和主塔同向側(cè)彎的耦合、第階主梁扭轉(zhuǎn)和主塔反向側(cè)彎的耦合，第階主梁扭轉(zhuǎn)和主塔同向側(cè)彎的耦合振動(dòng)。頻率（）階扭轉(zhuǎn)頻率較高。由于該斜拉橋采用雙斜索面和箱形截面相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，大大提高了結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，從而提高了扭轉(zhuǎn)頻率，使得主梁的階扭轉(zhuǎn)在第階振型時(shí)才出現(xiàn)，這對(duì)該橋的抗風(fēng)是有利的。主梁對(duì)稱側(cè)彎主塔同向側(cè)彎主梁對(duì)稱豎彎主梁反對(duì)稱豎

8、彎主梁扭轉(zhuǎn)主塔反向側(cè)彎主梁扭轉(zhuǎn)主塔同向側(cè)彎主梁對(duì)稱豎彎主梁反對(duì)稱側(cè)彎主梁反對(duì)稱豎彎主梁對(duì)稱豎彎主梁階扭轉(zhuǎn)主梁反對(duì)稱豎彎主梁對(duì)稱豎彎近塔輔助墩縱向彎曲結(jié)語本文基于有限單元法，根據(jù)斜拉橋的構(gòu)造特點(diǎn)，利用通用有限元軟件建立了某超大跨度斜拉橋的三維有限元模型，對(duì)該橋自由振動(dòng)的振動(dòng)頻率和振型進(jìn)行求解，并通過分析得到了其動(dòng)力特性的一般特點(diǎn)，即超大跨度半漂浮體系斜拉橋具有基本周期很長、自振頻率較低、模態(tài)密集、振型相互耦合等特點(diǎn)。該橋計(jì)算結(jié)果符合現(xiàn)有文獻(xiàn)對(duì)半漂浮體系斜拉橋一般動(dòng)力特性的描述，為進(jìn)一步進(jìn)行地震作用和氣動(dòng)穩(wěn)定性研究提供了基礎(chǔ)，也為同類橋梁的分析提供了參考。參考文獻(xiàn)李國豪橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動(dòng)北京：中國

9、鐵道出版社，劉士林，梁智濤斜拉橋北京：人民交通出版社，由表可見，該超大跨度半漂浮體系斜拉橋的動(dòng)力特性具有如下幾個(gè)特點(diǎn)：（）第振型為縱飄，且基本周期很長。該橋階振型為縱飄，基本自振周期為，符合超大跨度半飄浮體系斜拉橋的特征。（）自振頻率較低，模態(tài)密集。超大跨度橋梁一般振動(dòng)周期長，頻率相當(dāng)?shù)停@對(duì)該超大跨斜拉橋同樣成立。本橋的前階振動(dòng)頻率都在以下，說明該斜拉橋的模態(tài)非常密集。：朱宏平，唐家祥斜拉橋動(dòng)力分析的三維有限單元模型振動(dòng)工程學(xué)報(bào)，（）：（收稿日期：）!蘇通大橋六項(xiàng)工法發(fā)布為年度國家級(jí)工法關(guān)于年度國家級(jí)工法名單的公示”預(yù)應(yīng)力混凝，其中蘇通大橋“建設(shè)部發(fā)布了“土連續(xù)箱梁節(jié)段短線匹配法預(yù)制、架橋機(jī)懸拼施工工法”超大型鋼吊箱水上整體拼裝下放施