单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工动力特性分析

胡玉梅　郑慧君

摘要：运用有限元分析软件ANSYS对重庆某大桥最大悬臂状态进行了动力特性的数值模拟分析，得到了结构的自振频率，并对其振型进行描述，对影响结构自振特性的因素进行了研究。结果表明，主梁刚度的增加有助于提高结构的扭转刚度，增强结构的抗风稳定性。桥塔及斜拉索刚度的增加有助于提高结构的竖向弯曲刚度及侧弯扭耦合刚度，斜拉索倾角对结构的整体刚度影响较大，辅助墩的设置位置对大桥的抗风稳定性产生较大影响。研究结果可以为同类桥梁在最大悬臂状态的抗风及抗震设计提供参考。

关键词：單索面钢桁梁独塔斜拉桥；ANSYS；最大悬臂状态；动力特性；主梁；斜拉索

中图分类号：TB

文献标识码：A

doi：10.19311/j.cnki.16723198.2016.17.108

0引言

研究桥梁结构包括自振频率、阻尼和主振型的自振特性是分析斜拉桥动力行为的基础。结构的动力特性取决于结构的刚度、支撑条件和组成体系等。研究桥梁结构的动力特性对于桥梁结构的抗风稳定性分析、抗震设计、健康检测和维护都有着重要的意义，同时也是判别桥梁结构是否完整的重要依据。

笔者以重庆市某大桥最大悬臂状态为背景，运用有限元分析软件ANSYS建立该桥的三维有限元模型，对其自振特性进行了分析。研究探讨了单索面钢桁梁独塔斜拉桥最大悬臂状态自振特性在参数影响下的一般规律，其结果可作为同类桥梁研究和设计工作的参考依据。

1工程背景

重庆某大桥南穿渝中区洪崖洞旁沧白路，跨嘉陵江，北接江北区江北城大街南路。主桥为单塔单索面钢桁梁斜拉桥，跨径布置为88m+3索塔采用天梭形，包括上、中、下塔墩，采用C50混凝土。

2有限元模拟

建立与结构实际状况相符的力学模型，是分析大桥在最大悬臂状态的空间动力特性的基础。计算模型力求在边界条件、质量、刚度上的模拟与实际状况相符。采用正确的单元来模拟斜拉桥各个主要组成构件是建立大桥最大悬臂状态空间有限元模型的关键。因此在建立有限元模型时，将主要基于以下原则来选择单元：（1）选取的单元必须能最大程度地模拟结构的受力特性；（2）必须保证计算结果具有足够的精度；（3）有限元模型建立要尽量简便，计算工作量要尽量小，进行结果处理时也要比较方便。

3动力特性分析

斜拉桥频谱密集，斜拉索性质与膜相似，其模态密集度高于一般结构，在频率范围较宽的情况下，动力荷载能够激起很多振型的振动，因而大跨度斜拉桥的动力特性分析通常采用10阶以上振型。动力特性计算过程中，采用无阻尼的自由振动方程，考虑到自重的初始应力效应，因此在动力特性求解特征值的过程中，先进行静力分析，将静力分析的应力刚度矩阵与结构原始刚度矩阵结合进行模态分析。

4结语

（1）单索面钢桁梁斜拉桥最大悬臂状态主要有横向摆动、竖向摆动、扭转振动、竖弯振动、侧弯振动和耦合振动六种振动形式，后面的振型趋于复杂。主梁的竖向刚度大于其横向刚度，扭转刚度较小，属于长周期结构，柔性较大。

（2）单索面钢桁梁独塔斜拉桥最大悬臂状态动力特性的影响因素很多，包括构件刚度、边界条件及斜拉索倾角等，这些参数值设计合理与否直接关系桥梁结构振动特性。

（3）构件刚度对单索面钢桁梁斜拉桥最大悬臂状态动力特性有着重要的影响，主梁有助于增强斜拉桥的扭转刚度，因此提高主梁刚度有助于增强桥梁的抗风稳定性。斜拉索、桥塔和主梁的刚度增加都有助于提高结构的侧弯扭刚度，但随着桥塔刚度的增加，结构的竖向弯曲刚度随之下降。

（4）主梁与桥塔的不同连接方式对结构主要振型自振频率的影响均较小，可以忽略不计。

（5）斜拉索倾角的改变对结构扭转振型的自振频率影响较小，可以忽略不计。但是对斜拉索倾角的调整，对结构的竖向弯曲和侧弯扭耦合影响较大，较大幅度地降低了结构的刚度，因此对斜拉索倾角的处理要格外谨慎。

（6）辅助墩位置移动对单索面钢桁梁斜拉桥最大悬臂状态的抗风稳定性影响较大，随着辅助墩位置逐渐向江北区方向移动，结构1阶扭转频率和1阶竖向弯曲频率的比值逐渐增大，使得桥梁发生震颤破坏的可能性增大。因而对辅助墩位置的设置需经过优化计算并结合工程实际情况。

参考文献

[1]黄小伟，王浩，李爱群等.中承式异形钢管混凝土拱桥动力特性分析[J].建筑科学与工程学报，2012，29（1）：8792.

[2]李鹏飞，刘保东，肖英楠.截面形式对波纹钢腹板桥梁动力特性的影响[J].北京交通大学学报，2010，34（3）：122125.

[3]何容，何伟，李晓克.箱型连续梁桥复合加固效果动力特性评定[J].工程抗震与加固改造，2012，34（1）：6973.