某连续梁拱桥设计参数研究

辛跃辉

中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031

某连续梁拱桥设计参数研究

辛跃辉

中铁二院工程集团有限责任公司，四川 成都 610031

以某连续梁钢管混凝土拱桥为研究对象，建立空间结构模型，计算并比较连续梁钢管混凝土拱桥的自振特性，进一步探讨了横撑刚度和拱肋截面形式对连续梁钢管拱桥动力特性的影响，为此类桥梁的设计提供参考。

引言

连续梁钢管混凝土拱桥利用钢管的套箍作用，使混凝土处于三向受力状态，使其承载力大大提高，同时也能提高混凝土的塑性性能。另一方面，混凝土内填于钢管之内，增强了钢管的管壁稳定性，刚度也远大于钢结构，使其整体稳定性也有了极大的提高。[1]本文以某连续梁钢管混凝土拱桥为研究对象，建立空间结构模型，计算并比较连续梁钢管混凝土拱桥的自振特性，进一步探讨了横撑刚度和拱肋截面形式对连续梁钢管拱桥自振特性的影响，为此类桥梁的设计提供参考。

1 有限元模型的建立

采用通用有限元软件MIDAS建立本桥的空间有限元模型。梁、柱、拱、横撑和吊杆均采用梁单元模拟。主梁通过支座与桥墩相连；梁－墩之间的约束关系可通过主从节点来方便地模拟。对于钢管混凝土组合截面，按抗弯刚度等效的原则，计算组合截面的等效弹性模量[1]， 即

2 自振特性计算

2.1 基本方程

动力分析的运动微分方程组[2]为：

2.2 结果及分析[3]

（1）该桥第一阶振型为拱对称横振，表明拱的面内刚度大于面外刚度。因为拱肋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；（2）连续梁钢管混凝土拱桥的面外基频比面内基频低，说明该类桥梁的横向刚度比较小，因此连续梁钢管混凝土拱桥的横向稳定性问题不容忽视

3 结构自振特性参数分析

3.1 横撑的影响[3]～[5]

为了研究某连续梁钢管拱混凝土桥横撑对自振特性的影响，分别考虑了两种情况：增加横撑刚度和减少横撑数量。其中增加横撑刚度又分为刚度总体增加10%、拱脚处横撑刚度增加10%以及拱顶处横撑刚度增加10%三种情况；减少横撑数量又分为减少靠近拱顶处的一对横撑和减少靠近拱脚处的一对横撑两种情况，计算结果见表1。

表1 某连续梁钢管混凝土拱桥

由表1可以看出：

a)横撑的数量和布置对面内基频影响不大；

b)拱脚处横撑对结构的面外基频影响比拱顶处的大，因而拱脚处横撑对结构的横向刚度影响比拱顶处的大。

3.2 拱肋的影响[3]

为了研究拱肋对自振特性的影响，分别考虑了改变钢管拱厚度和钢管拱半径两个方面，其中钢管拱厚度由12mm变化到20mm，钢管拱半径由45cm变化到60cm。计算结果见表2。

表2 拱肋对自振特性的影响

从表2可以看出，⑴增加钢管拱厚度，某连续梁钢管混凝土拱桥面外基频减少，但减少幅度不大；⑵增加钢管拱半径，某连续梁钢管混凝土拱桥面外基频保持不变，面内基频减少；⑶不论是改变钢管拱厚度还是改变钢管拱半径，目的都是为了改变钢管拱的刚度，但钢管拱刚度的变化对结构的自振频率的影响不大。因此，通过改变拱肋截面尺寸来改变自振频率的效果不大。

4 结论

通过对某连续梁钢管混凝土拱桥的分析比较可以得出以下结论：

1)连续梁钢管混凝土拱桥振动基频较小，小于传统的钢筋混凝土拱、石板拱等刚性拱桥，因此其动力性能有其自身的特点；

2)连续梁钢管混凝土拱桥的面内基频比面外基频大，因此拱的横向稳定性问题不容忽视；

3)连续梁钢管混凝土拱桥受横撑的结构形式、布置以及刚度影响较大，尤其是横向振动，竖向振动所受影响不明显；

4)实际设计时，拱肋刚度以满足静力性能为主。

[1] 陈宝春. 钢管混凝土拱桥设计与施工.北京：人民交通出版社.1999

[2] 李国豪.桥梁结构稳定与振动.北京：中国铁道出版社.1992

[3] 陈水盛，陈宝春.钢管混凝土拱桥动力特性分析. 公路，2001（2）

[4] 李传习，郭科. 南宁永和大桥动力特性研究. 长沙理工大学学报.2005（12）

[5] 欧碧峰，赵灿晖，乐建平. 大跨度钢管混凝土拱桥的动力特性分析.2005（6）

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.02.024

辛跃辉，女，1982年01月出生；籍贯：辽宁建昌；职称：工程师；学历：大学本科；研究方向：从事铁路连续梁（刚构）、铁路连续梁-拱桥的研究。

自振特性；横撑；拱肋；拱桥