下承式钢管混凝土系杆拱桥吊杆断裂动力性能分析

罗聪辉

（广东佛盈汇建工程管理有限公司，广东佛山 528000）

0 引言

下承式钢管混凝土系杆拱桥以拱肋、吊杆、系杆及桥面系组成的组合结构桥梁，是一种外部静定、内部超静定的特殊结构，具有受力合理、造型美观、地基适应能力强、跨越能力大的特点[1]。吊杆在下承式钢管混凝土系杆拱桥中占有举足轻重的位置，如四川、福建等地就发生过吊杆断裂导致拱桥发生不同程度破坏的案例。陈舟等[2]通过有限元软件建立提篮拱桥的空间模型，分析结构前六级自振频率以及钢管直径、壁厚的改变对结构自振频率的影响。吴庆雄等[3]通过有限元软件模拟钢管混凝土拱桥，讨论主拱跨径、主拱截面及主梁结构等方面拱桥面内振动模态的特性。刘伯栋[4]等通过有限元软件对钢管混凝土拱桥进行自振特性的分析，比较全面地反映了结构的振型。吊杆是拱桥中受外界影响比较大的构件，在遭遇突发情况（如撞击）、疲劳损伤及锈蚀等情况下，容易出现吊杆断裂现象，可能导致拱桥不同程度的破坏[5]。下承式钢管混凝土拱桥短吊杆处变形适应能力小，反复的变形增加了短吊杆的疲劳，容易导致短吊杆的断裂[6]。吴庆雄等[7]通过接触碰撞的方式模拟吊杆断裂，分析拱桥各构件在吊杆断裂前后的变化及吊杆断裂引起的结构动力响应。

本文以跨径为80 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥为例，采用MIDAS/Civil有限元软件建立空间模型进行分析，得到桥梁的自振频率，并讨论不同吊杆断裂情况下对拱桥结构自振特性的影响。

1 工程实例

某下承式钢管混凝土系杆拱桥梁体全长83.2 m，桥面总宽15.5 m，拱角附近加宽至16.9 m。跨中纵梁高度2.4 m，设双线铁路，挡碴墙内侧净宽为9.0 m。主跨为83 m的钢筋混凝土简支拱，主拱计算跨度80 m，矢跨比1/5，拱肋轴线为二次抛物线。此80 m双线简支组合拱梁两侧分别为32.6m简支梁和16.6m简支梁，两拱肋之间共设3道横撑。主梁及拱脚混凝土强度等级为C50，拱脚钢混过渡段中采用强度等级为C50自密实混凝土，封端采用强度等级为C50的补偿收缩混凝土。纵向预应力体系：预应力钢绞线采用1X7-15.2-1860预应力钢绞线，后张法，锚群体系，属波纹管管道，吊索采用型号PES7-121-φ7低应力防腐索体钢丝。主拱横撑的材质一般地区选用Q345qD钢材，吊杆套筒选用Q345B钢材，其他辅助材料选用Q235C钢材，支座采用桥梁球型钢支座。桥梁立面见图1；吊杆编号从左到右依次增大，见图2。

2 有限元建模

采用有限元软件MIDAS/Civil建立空间模型（见图3），其中吊杆采用仅受拉桁架单元模拟，其余 构件采用梁单元模拟，全桥受拉桁架单元22个，梁单元305个，节点259个。

图1 桥梁立面图（单位:mm）

图2 吊杆编号图

图3 全桥模型

3 动力特性分析

通过建立不同施工阶段模拟吊杆断裂的情况，采用Lanczos方法、振型设置为6阶提取模态。由于篇幅原因，这里仅展示吊杆未断裂和6号吊杆断裂工况下的模态图。

（1）由表1可以看出吊杆未断裂的振型特点，随着自振频率的增大，结构变形比较复杂，由简单的弯曲到弯曲加扭转，变形先主梁后拱肋，先横向后竖向；不同工况下结构自振频率见表2。

表1 吊杆未断裂前结构自振频率

（2）由图4～图15可以看出吊杆未断裂的模态与吊杆断裂的模态没有差别；

图4 吊杆未断裂一阶模态

图5 吊杆断裂一阶模态

图6 吊杆未断裂二阶模态

表2 不同工况下结构自振频率

图7 吊杆断裂二阶模态

图8 吊杆未断裂三阶模态

图9 吊杆断裂三阶模态

图10 吊杆未断裂四阶模态

图11 吊杆断裂四阶模态

图12 吊杆未断裂五阶模态

图13 吊杆断裂五阶模态

图14 吊杆未断裂六阶模态

图15 吊杆断裂六阶模态

（3）由图16可以看出不同工况下结构自振频率的变化，每个工况的自振频率相差较小，只有每个工况下自振频率变化不大，说明吊杆断裂对主梁竖向刚度影响不明显；

图16 同阶次不同工况下结构自振频率

图17 不同工况下同阶次结构自振频率

（4）由图17可以看出结构的自振频率随着断裂吊杆长度的增长而减小。

4 结语

本文以跨径为80 m的下承式钢管混凝土系杆拱桥为例，利用模型计算出不同工况下的六阶自振频率，通过对比分析得出，不同吊杆断裂对结构模态的影响较小，对主梁竖向刚度影响比较明显，且结构的自振频率随着断裂吊杆的增长而减小。

[1]徐 岳,朱红亮,陈万春,等.钢管混凝土系杆拱桥[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2017.

[2]陈舟,高永辉,颜全胜,等.客运专线提篮拱桥动力性能分析[J].科学技术与工程,2011,11（1）:201-204.

[3]吴庆雄,黄宛昆,陈宝春.中、下承式钢管混凝土拱桥面内振动模态分析[J].工程力学,2012,29（11）:221-227.

[4]刘伯栋,张观众.下承式钢管混凝土拱桥自振特性研究[J].水利与建筑工程学报,2011,9（4）:133-137.

[5]郭志良.拱桥吊杆断裂过程及对策研究[D].福建福州:福州大学,2010.

[6]田春艳,刘勇,靳璞.下承式钢管混凝土拱桥吊杆索力测试及分析[A].工程质量学术交流会[C].2012,107-112.

[7]吴庆雄,余印根,陈宝春.下承式钢管混凝土刚架系杆拱桥吊杆断裂动力分析[J].振动与冲击,2014,33（15）:144-149.