V形刚构拱组合桥动力特性分析

张祥彬

(南昌铁路局工务处,江西南昌 330000)

1 工程概述

新建铁路广州至珠海(含中山至江门)城际快速轨道交通工程小榄水道特大桥全长7686.57m,主跨采用100+220+100mV形刚构拱组合桥,是国内客运专线铁路首次采用的结构形式,为国内同类型桥梁最大跨度[1]。全桥立面布置如图1所示。

图1 小榄水道特大桥主桥总体布置(单位:cm)

小榄水道特大桥主桥V形墩外侧斜腿与水平面的夹角为34.6°,内侧斜腿与水平面的夹角为46.4°,均采用单箱双室箱形截面。主梁采用单箱双室截面,顶板厚度为42cm,桥面宽度为11.6m,底板宽10.0 m。V形墩支点处梁高采用7.8m,主跨跨中和边跨支座处梁高3.8m,V构内部最小梁高采用4.8m。其中,V形墩及基础采用C40混凝土,主梁采用C60混凝土。

拱肋采用N形桁架,上、下弦管采用直径900mm的钢管混凝土结构;腹杆采用直径600mm的空钢管。拱肋中心横向间距12.2m,拱肋的计算跨径L=160 m,月牙形钢管混凝土拱下弦钢管矢高35m,上弦钢管矢高40m。两榀拱肋之间共设7道横撑,均由空钢管组成。吊杆顺桥向间距为9m,全桥共设15对吊杆。小榄水道特大桥采用“先梁后拱”的施工方案,即先施工V形连续刚构,然后在梁上搭设支架,安装拱肋及吊杆。

V形刚构拱组合桥利用V形刚构的主跨斜腿与钢管混凝土拱的拱座连接形成,具有拱和V形连续刚构共同受力的特点,其结构性能已不同于一般的梁拱组合体系桥[2-3]。从结构形式来看,其上部结构以V形墩连续刚构为主体,配以钢管混凝土拱肋进行加劲,起到了减小主梁梁高、控制跨中下挠以及弱化高速行车时桥梁振动的作用。

2 有限元分析模型

有限元分析模型采用大型通用有限元程序MIDAS/CIVIL软件建立,根据不同构件的受力特点,采用不同单元类型来模拟不同构件,同时根据桥梁的实际情况,合理处理各构件之间的连接情况和边界约束情况,形成统一的全桥分析模型。各构件模拟描述如下:

(1)V形墩预应力混凝土连续刚构采用三维梁单元模拟,其变截面形式采用实际结构的截面大小。

(2)N形桁架钢管混凝土拱采用三维梁单元组合截面模拟,吊杆采用只受拉索单元模拟,考虑桁架钢管混凝土拱肋的空间效应。

(3)为合理模拟吊杆下端与主梁的连接情况,在每个吊杆下端对应的主梁节点处向外伸出一个刚度很大的刚性横梁,并将刚性横梁外端节点与吊杆下端节点的竖向自由度耦合。

(4)考虑到桥面道砟及其他附属结构不参与结构承力,但却影响结构振动特性,将这一部分荷载转化为质量均匀分布到主梁节点上。

(5)V形墩的上端与主梁的连接点以及拱脚下端与主梁之间的连接点均通过建立刚性连接进行模拟。

(6)小榄桥桥址处场地土第四系沉积物厚达40～60m,工程地质条件较差。有限元建模中考虑了桩-土-结构相互作用对地震反应的影响,地基对桩基的作用采用节点弹性约束模拟。

(7)全桥两端的支座采用释放水平约束的活动支座模拟,桩基底部采用固结约束模拟。

(8)空间有限元模型坐标系为:X方向为桥跨纵向,Y方向为横向,Z方向为竖向。

图2为空间有限元模型的离散单元。本模型共划分单元718个,其中空间梁单元688个,只受拉索单元30个,共有节点453个。

图2 小榄水道特大桥空间有限元模型离散单元

3 自振特性分析结果

桥梁自振特性包括结构的自振频率、振型和阻尼比等参数,反映出结构的刚度指标。这里采用子空间迭代法求解桥梁空间自振特性。一般情况下,结构的低阶自振频率和振型对结构动力特性起控制作用,这里仅给出桥梁结构的前10阶自振特性的计算结果,见表1。限于篇幅,本文只给出前4阶振型,见图3至图6所示。

表1 小榄水道特大桥前10阶自振频率计算结果

图3 第1振型(俯视)f=0.493Hz

图4 第2振型(俯视)f=0.854Hz

图5 第3振型(俯视)f=0.979Hz

图6 第4振型(正视)f=1.058Hz

小榄水道特大桥自振特性分析结果表明:

①拱肋横向基频为0.493Hz,梁拱组合横向基频为0.854Hz,梁拱组合竖向基频为1.029Hz。

②拱肋的一阶振型周期为2.028s,比一般单孔刚性结构0.3～0.4s的基本振动周期大得多,这说明V形刚构上部的钢管混凝土拱肋属于柔性结构。

③第一阶振型为拱的对称横向侧弯,表明拱的面内刚度大于面外刚度。这是因为拱的面内振动要引起主梁的振动,所以阻力大、频率高,面内振型出现晚于面外振型。

④V形刚构与拱组合桥拱肋的面外基频比面内基频低,说明该类桥梁拱肋的横向刚度比较小,因此V形刚构与拱组合桥拱肋的横向稳定性问题不容忽视。

⑤由于拱肋和主梁的重力方向一致,所以对于面内振型,二者的振动基本同步。在面内振型中没有出现主梁振动而拱肋不振动或者拱肋振动而主梁不振动的情况。

4 二期恒载对结构动力特性的影响

对于铁路桥梁而言,其二期恒载比较大,本桥二期恒载为160kN/m。在进行静力计算时,二期恒载仅作为外荷载施加到结构上。但是在进行动力计算分析时,二期恒载只提供质量,而不产生结构刚度。因此二期恒载将对结构的动力特性产生较大的影响。

表2 同一振型特征下考虑和不考虑二期恒载时的频率比较

经过计算,将同一振型特征下考虑和不考虑二期恒载的结构振动频率列示在表2中。从表2中可以看出,考虑二期恒载的影响后,在拱肋独立侧弯振型中,拱肋自振频率有微小的增大,增幅约1%～4%;主梁和拱肋同时参与的振型中,组合结构自振频率减小,减小幅度约8%～14%。二期恒载的考虑与否将使结构振型顺序发生变化。分析认为,由于二期恒载增加了主梁的质量,而刚度并没有增加,所以有主梁参与的各个振型的自振频率降低。而拱肋独立振动的振型均属于侧弯振型,且拱肋拱脚固结在主梁之上,主梁质量增加对拱肋质量没有任何影响,反而相当于加强了拱脚在主梁上的约束,所以拱肋独立侧弯振型的振动频率反而有微小的增加。

5 桩-土-结构相互作用对结构动力特性的影响

桩基是建于软弱土层中的桥梁最常用的基础形式。桩-土-结构相互作用使结构的动力特性、阻尼以及地震反应发生改变,而忽略这种改变并不总是偏安全的。一般情况下,桩-土-结构相互作用会对斜拉桥、悬索桥等这样一类具有高耸塔墩的桥梁动力特性影响较大[4-5],那么桩-土-结构相互作用对于小榄水道特大桥,这样一座V形刚构与拱的组合体系桥的动力特性有多大影响,本文进行了比较分析。

表3 相同振型特征下考虑和不考虑桩-土-结构作用时的频率比较

考虑与不考虑桩-土-结构相互作用两种情况下小榄水道特大桥桥的自振频率及振型对比见表3。从表3中可以看出,由于桩-土-结构相互作用的影响,拱肋的横向振动基频减小约3%,梁拱组合横向基频减小约13%,但是梁拱组合竖向基频增大约15%。同时,结构的振型顺序也会发生很大的变化。

6 结论

通过建立空间杆系有限元模型,分析了大跨度V形刚构拱组合桥的动力特性,研究了二期恒载和桩-土-结构相互作用对桥梁动力特性的影响。得出以下结论:

(1)拱肋的一阶振型周期为2.028s,比一般单孔刚性结构0.3～0.4s的基本振动周期大得多,这说明V形刚构上部的钢管混凝土拱肋属于柔性结构。

(2)第一阶振型为拱的对称横向侧弯,表明拱的面内刚度大于面外刚度。这是因为拱的面内振动要引起主梁的振动,所以阻力大、频率高,面内振型出现晚于面外振型。

(3)考虑二期恒载的影响后,在拱肋独立侧弯振型中,拱肋自振频率有微小的增大,增幅约1%～4%;主梁和拱肋同时参与的振型中,组合结构自振频率减小,减小幅度约8%～14%。二期恒载的考虑与否会使结构振型顺序发生变化。

(4)由于桩-土-结构相互作用的影响,拱肋的横向振动基频减小约3%,梁拱组合横向基频减小约13%,但是梁拱组合竖向基频增大约15%。同时,结构的振型顺序也会发生很大的变化。

[1]孙树礼.连续梁拱组合桥梁设计关键技术对策研究[J].铁道标准设计,2005(5)

[2]罗世东,严爱国,刘振标.大跨度连续刚构柔性拱组合桥式研究[J].铁道科学与工程学报,2004(2)

[3]刘巍,周志宏,汤湘中.钢管混凝土拱桥动力特性分析[J].山西科技,2008(1)

[4]吴定俊,王小松,项海帆.高速铁路尼尔森拱桥车桥动力特性[J].铁道学报,2003(3)