矮塔斜拉桥不同梁高条件下动力性能分析

■陈念张磊（.武汉金思路科技发展有限公司，武汉430000l；.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉430000）



矮塔斜拉桥不同梁高条件下动力性能分析

■陈念1张磊2
（1.武汉金思路科技发展有限公司，武汉430000l；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，武汉430000）

以某实体矮塔斜拉桥为例，建立有限元模型分析不同主梁高度下矮塔斜拉桥的动力性能，对该桥型不同梁高下的动力性能进行归纳总结，对设计矮塔斜拉桥主梁高度提供一定参考。

矮塔斜拉桥有限元主梁高度动力性能

1前言

矮塔斜拉桥属于斜拉-连续（刚构）体系桥梁，它具有主梁刚度较普通斜拉桥大、较矮的主塔以及斜拉索较为集中的这三个主要特点，是刚度介于连续梁与斜拉桥之间的一种斜拉-连续（刚构）组合体系桥［1］。它是近20年才发展起来的一种新型桥梁结构，近十年来应用较多，受到广泛的关注，国内外已有多座矮塔斜拉桥在建或已建成投入运营。矮塔斜拉桥以其优越的结构性能、良好的经济性能、成熟的建造工艺以及优美的景观效应使它逐渐成为一种极具竞争力的桥型。

2工程实例

2.1工程概况

该实体大桥为高速公路跨江大桥，桥跨布置为：30m预应力砼T梁+（108+180+108）m矮塔斜拉桥+（14×30）m预应力砼T梁。全桥总长857m（含桥台长）。

2.2主要技术标准

（1）桥面为双向四车道高速公路标准布置；桥面宽27.3m（0.5m防撞栏+11.75m车行道+2.8m中央分隔带+ 11.75m车行道+0.5m防撞栏杆=27.3m），桥塔和斜拉索设置在中央分隔带内。

（2）设计速度：100km/h。（3）设计荷载：公路-I级。（4）设计洪水频率：1/300。（5）通航标准：无。

（6）地震动峰值加速度：0.16g。

2.3主桥结构形式

2.3.1主梁

主梁为单箱三室斜腹板变截面箱梁。混凝土强度等级为C55。主梁根部高度为5.8m，端部等截面段主梁高度为3m，高度按二次抛物线变化。0号块长12m，主梁高度变化段每侧各84m，边跨等梁高段每侧18.76m，中跨等高梁段长2m，为跨中合拢段。箱梁顶宽27.3m，底宽15.928～17.327m。悬臂板长4.5m，顶板厚28cm，底板厚度由跨中32cm逐渐加大至根部为110cm，0号块内底板厚140cm。外侧腹板为斜腹板，厚度在塔墩两侧各5～54m段为80cm，54m～57.5m为腹板变厚过渡段，57.5m～89m为60cm，0号块段内为100cm。内侧腹板为直腹板，厚度在塔墩两侧各5～54m段为60cm，54m～57.5m为腹板变厚过渡段，57.5m～跨中段为40cm，0号块段中室为实心段。悬臂施工每节段长度为3.5或3.0m，最大节段重量为约391.3t，在张拉斜拉索的梁段内设置有横隔板，间距7m，横隔板厚40cm。

2.3.2主塔

主塔采用矩形实心断面，C55混凝土。从底部到顶部为等截面，平面尺寸为5.5m×2.6m，桥面以上塔高29m，布置在中央分隔带上，并与箱梁固结。塔身上部设有鞍座，以便拉索通过，每根斜拉索对应一个分丝管，斜拉索横桥向呈两排布置，分丝管亦设两排，分丝管横桥向间距1m。

2.3.3斜拉索

斜拉索为单索面、双排布置在中央分隔带上，全桥共采用4×9对斜拉索。斜拉索梁上纵向间距7.0m，双排横向布置间距为1.0m，塔上竖向间距1.2m（理论值：为斜拉索与塔中心交点的竖向间距）。斜拉索在塔顶连续通过分丝管，两侧对称锚于梁体。

2.3.4塔墩及桥墩

主桥2、3号墩采用钢筋混凝土变截面薄壁空心墩，桥墩横桥向宽均为15.928m，纵桥向墩顶宽9m，沿高度方向按80∶1的倾率扩大桥墩截面，2号墩墩底纵桥向宽11.375m，3号墩底宽11.3m。承台厚度为6m，采用25×Φ2.0m钻孔桩基础。1、4号过渡墩采用钢筋混凝土等截面薄壁空心墩，平面尺寸为20.5×3.0m，承台厚度为4m，采用10×Φ2.0m钻孔桩基础。引桥桥墩采用“Y”形墩，承台厚度为2.5m，采用4×Φ1.4m钻孔桩基础，按摩擦桩设计。

3有限元模型建立

运用桥梁有限元分析软件MidasCivil2010建立空间有限元计算模型。全桥结构离散为369个节点，330个单元。主梁采用变截面梁单元进行离散，斜拉索采用只承受拉力的桁架单元进行模拟。主塔与桥墩均采用梁单元进行模拟；用一般支承模拟边墩支座和墩底固结，用弹性连接里的刚性连接模拟塔墩梁固结。考虑到斜拉索锚固点偏心的影响，用主从连接模拟斜拉索与主梁、桥塔的连接。主梁、桥墩、全桥模型图如图1～3所示。

图1　矮塔斜拉桥模型主梁划分图

图2　桥墩的模拟

图3　全桥整体有限元模型

4不同梁高情况下动力特性分析

4.1自振特性的计算

本实例为塔梁墩固结体子，主要由塔、梁和墩来抵抗地震力。采用MIDAS2010进行结构离散，运用blocklanczos对工程实例进行模态分析。针对本文模型，提取矮塔斜拉桥的前20阶振型范围内的振型进行分类归纳，分别为以下四种振型：（1）主梁竖弯、塔墩纵向振动；（2）主梁横弯、塔墩横向振动；（3）主梁横向振动；（4）主塔横向振动。为方便研究分别提取五阶主梁竖弯、塔墩纵向振动；五阶主梁横弯、塔墩横向振动；一阶主梁横向振动；一阶主塔横向振动四种类型。

4.2主梁高度变化对自振特性的影响分析

主梁高度变化下主梁竖弯、塔墩纵向振动，主梁横弯、塔墩横向振动，主梁横弯以及主塔横向振动计算数据如图1～3所示。

表1　主梁竖弯、塔墩纵向振动频率计算表（单位：Hz）

表2　主梁竖弯、塔墩横向振动频率计算表（单位：Hz）

表3　主梁横弯、主塔横向振动频率计算表（单位：Hz）

（1）由表1中可以看出，主梁竖弯、塔墩纵向振动前五阶振动频率随着主梁高度的增高而逐渐增加的趋势，且随着阶数的增加其增幅逐渐增大。前五阶增幅分别为：1.5%、10.2%、13.6%、15.1%、14.5%。

（2）由表2中看出，主梁竖弯、塔墩横向振动的前五阶振动频率随着主梁高度的增加而逐渐减小，随着阶数的增加其增幅先减小后增大。前五阶的增幅为1.4%、0.1%、0.2%、0.4%、1.0%。

（3）由表3中可以看出，随着主梁高度的增加，主梁一阶横弯和主塔一阶横向振动均呈单调递减。减幅分别为0.8%、0.2%。

4结论

本文通过计算实桥的自振特性对矮塔斜拉桥进行动力分析，随着主梁高度的增加刚度也随之增加，但其自重也逐渐增大。主梁竖弯、塔墩纵向振动前五阶振动频率随着主梁高度的增高而逐渐增加的趋势，且随着阶数的增加其增幅逐渐增大；主梁竖弯、塔墩横向振动的前五阶振动频率随着主梁高度的增加而逐渐减小，随着阶数的增加其增幅先减小后增大。主梁高度的增加，主梁一阶横弯和主塔一阶横向振动均呈单调递减。为保证桥梁良好的动力性能，对主梁高度的选取参照规范进行优化，在增加主梁高度的同时适当减小腹板的厚度以减小主梁的自重集度。

［1］陈从春，肖汝诚.中国公路学会桥梁和结构工程分会2005年全国桥梁学术会议论文集.2005-10-01.

［2］中华人民共和国交通部标准.JTGD60—2004，公路桥涵设计通用规范.北京：人民交通出版社，2004.

［3］文坡.金江金沙江大桥斜拉桥动力特性分析.西南交通大学硕士论文，2005-01-01.

［4］蔡鹏程.三跨预应力混凝土部分斜拉桥动力特性及地震反应特性研究.福州大学硕士论文，2005-12-01.

［5］李青山.矮塔斜拉桥结构特征参数研究.交通标准化，2012-02-23.

［6］于建华，谢用九，魏泳涛.高等结构动力学.四川大学出版社，2001.

［7］范立础，等.大跨桥梁抗震设计.北京：人民交通出版社，2001.

［8］爱德华，L威尔逊.结构静力与动力分析.北京：中国建筑工业出版社，2006.

［9］行业标准：中交路桥技术有限公司.JTGB02—2013，公路工程抗震规范.北京：人民交通出版社，2013.

［10］行业标准：重庆交通科研设计院.JTG/TD65-01—2007，公路斜拉桥设计细则.北京：人民交通出版社，2007.