波纹钢腹板斜拉桥动力特性分析

赵晓婷　王立峰　崔海龙

（1.东北林业大学，黑龙江哈尔滨　150040；2.中建交通建设集团有限公司，北京　100142）



波纹钢腹板斜拉桥动力特性分析

赵晓婷1王立峰1崔海龙2

（1.东北林业大学，黑龙江哈尔滨150040；2.中建交通建设集团有限公司，北京100142）

摘要：以某波形钢腹板斜拉桥为工程背景，采用有限元软件Midas/Civil对桥梁结构动力特性进行分析，得到前10阶振型、频率、周期，从而对桥梁的抗震设计及抗风设计提供理论基础。

关键词：波形钢腹板，斜拉桥，动力分析，自振频率

0　引言

计算机仿真技术发展的越来越成熟，能高效、真实、快速的得出计算结果。斜拉桥动力特性是研究桥梁抗震设计、抗风稳定性问题的核心，为桥梁在风致激励下的动力响应提供基础。

本文以某波形钢腹板斜拉桥为工程背景，主要研究其成桥状态的动力特性，并对桥梁抗风问题进行探讨。

1　工程实例概况

该桥全长484. 8 m，跨径组成为58 +118 +188 +108 =472 m，桥梁上部结构采用波形钢腹板PC部分斜拉桥，结构体系采用连续—刚构形式，下部结构采用实心薄壁墩，与主梁和主塔固结，墩顶设置盆式支座墩，桥梁全宽为35 m。波形钢腹板厚度12 mm～24 mm，波形采用1600型，水平幅宽430 mm，斜幅宽430 mm，斜幅水平方向长370 mm，波高220 mm。波形钢板与混凝土顶板采用栓钉连接。

整体结构布置图如图1所示。

2　计算模型与分析

模型采用空间杆系有限元，划分单元应结合施工阶段且遵循一般的有限元划分单元规则。建模需要对全桥各部件情况及有限元进行简化，主要包括桥塔、主梁、斜拉索、桩—土作用、预应力体系、边界条件等。

建立的桥梁模型如图2所示。

图1　全桥桥型布置图（单位：cm）

图2　有限元模型

1）索塔。

按双塔柱设计，采用组合式钢筋混凝土结构，主塔桥面以上高33 m，竖向塔柱采用纵向变化的矩形断面，桥塔高度相对横断面并不算高，却承受着很大的荷载，因此建模时采用实际的横断面尺寸来模拟桥塔。若分别将混凝土和钢筋实际模拟，会使得模型极度复杂且模型分析时耗费大量的时间，因此本文采用将混凝土和钢筋当作一种材料模拟的方法，适当改变其自重系数和弹性模量。

2）主梁。

箱梁断面采用单箱四室斜腹板断面，顶板宽度为35 m，箱梁根本梁高7 m，支架现浇段、跨中及边跨合龙段梁高为4. 5 m，梁高从主墩两侧46. 8 m处的4. 5 m高按直线变化至墩顶7 m处。本文采用单主梁模型中的“鱼骨刺”来模拟，并将横隔梁简化为刚度极大、质量为0的刚性连接模拟。鱼骨刺形模型的特点是将主梁的刚度、质量都集中在主梁节点上，且主梁节点和斜拉索的主梁锚点通过钢臂连接。

3）桥塔与斜拉索连接处。

本文用刚度极大、质量为0的刚性连接模拟，不仅实现了斜拉索的实际锚固位置，还实现了模型的简化。

4）桩—土作用。

桩—土相互作用在结构的动力特性分析中不可忽视，目前常用的解决方法是集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。我国JTG D63—2007公路桥涵地基与基础设计规范采用“m法”求解弹性桩的作用效应，基本原理是将桩作为弹性地基梁，按梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比求解。等代土弹簧刚度Ks公式如下：

式中：a——土层厚度；

bp——土层在垂直于计算模型所在平面方向上的宽度；

m——比例系数。

由上式可得每层土对桩基础的土弹簧刚度Ks，本项目计算结果如表1～表3所示。

桩基础示意图见图3。

表1　P1桩基土弹簧刚度

表2　P2桩基土弹簧刚度

表3　P3桩基土弹簧刚度

图3　桩基础示意图

图4　第1阶振型

图5　第2阶振型

5）预应力体系。

建模时，将体外预应力钢束类型设置成外部，转向块部分简化为集中荷载，体外束只在转向块处与管道接触，摩擦系数根据经验定为0. 08。

6）边界条件。

本项目为塔墩梁固结体系，采用弹性连接中的刚性模拟；斜拉索与主梁的连接同样采用弹性连接中的刚性模拟；梁端支座采用只受压弹性连接模拟，且支座底部完全固结；桩底、支座底采用完全固定约束。

3　自振特性分析

图6　第3阶振型

图7　第4阶振型

图8　第5阶振型

图9　第6阶振型

图10　第7阶振型

图11　第8阶振型

图12　第9阶振型

图13　第10阶振型

桥梁固有频率、振型等是反映结构动力特性的模态参数，是评价桥梁动力性能的重要依据，结合有限元模型，对其自振特性进行分析。

前10阶振型图如图4～图13所示。

振型特征见表4，表5。

表4　前10阶振型特征描述（一）

表5　前10阶振型特征描述（二）

4　结语

有限元分析软件Midas/Civil能够实现斜拉桥成桥状态下的自振频率、周期和振型。本文结合一座波形钢腹板部分斜拉桥工程示例，介绍斜拉桥各部件简化和建模方法，可以供类似工程参考。

参考文献：

［1］王文龙，姜基建.桥塔倾角对斜独塔斜拉桥动力特性及抗震性能的影响分析［J］.公路交通技术，2015（2）：57-58.

［2］王建新，马存明，高伟，等.斜拉桥单、双主梁建模动力特性比较［J］.四川建筑科学研究，2013（6）：165-168.

［3］康俊涛，袁敏，王同民.大跨径自锚式悬索桥成桥状态动力特性参数分析［J］.桥梁建设，2013（6）：64-70.

［4］陶坤，姜柱.尾道大桥在强震作用下的非线性动力反应研究［J］.青岛理工大学学报，2014（1）：24-30，36.

［5］陈波，孙玉周，郭伟华.钢筋混凝土板动力特性的时变温度效应实验研究［J］.西南交通大学学报，2014（1）：66-71.

Analysis on dynamic property of corrugated steel web cable-stayed bridge

Zhao Xiaoting1Wang Lifeng1Cui Hailong2
（1. Northeast University of Forestry，Harbin 150040，China；2. China Construction Communications Engineering Group Corporation Limited，Beijing 100142，China）

Abstract：Taking the corrugated steel web cable-stayed bridge as the engineering background，the paper analyzes the dynamic properties of the bridge structure by applying finite element software Midas/Civil，and obtains the first ten vibration mode，frequency and cycle，so as to provide some theoretical basis for bridge seismic design and wind-resisting design.

Key words：corrugated steel web，cable-stayed bridge，dynamic analysis，self-vibration frequency

中图分类号：U441

文献标识码：A

文章编号：1009-6825（2016）09-0153-03

收稿日期：2016-01-11

作者简介：赵晓婷（1991-），女，在读硕士；王立峰（1971-），男，博士，硕士生导师，副教授；崔海龙（1982-），男，工程师