边中跨比对双塔双索面混凝土斜拉桥动力特性影响分析

郭攀

摘 要：本文通过ANSYS有限元分析软件，建立某双塔双索面混凝土斜拉桥的空间力学计算模型，利用子空间迭代法分析了不同跨径比时结构的自振频率及相应振型特征，得出不同跨径比对结构自振频率及振型顺序的敏感程度。该结论有利于通过模态参数修正有限元分析模型，对后期调整结构自振频率及斜拉桥的构造设计具有一定的指导意义。

关键词：双塔双索面混凝土斜拉桥；动力特性；边中跨比；频率；振型

中图分类号：U448.27；U441 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0104-02

Influence of Side to Main Span on the Dynamic Characteristic of

Double-cable Plane Prestressing Force Concrete Cable Stayed Bridge

GUO Pan

（Henan Provincial Communications Planning & Design Institute Co.， Ltd.，Zhengzhou Henan 450052）

Abstract： Through the finite element analysis program ANSYS， hree-dimensional finite element models for two pylons cable-stayed bridges are set up. The natural vibration modes and frequencies of the bridge are computed using the subspace iteration method with the influence of parameter changes of ratio of side to main span. The analysis draws the general conclusions on the parametric sensitivity about dynamic characteristics of two pylons cable-stayed bridges. These conclusions are propitious to the modification of finite element models， and also， provide some gist to the concept design and the constitution design.

Keywords： two pylons cable-stayed bridge；dynamic characteristics；ratio of side to main span；frequencies；the natural vibration modes

1 研究背景

某雙塔双索面混凝土斜拉桥，主跨348m，边跨174m，桥宽28m，塔高162m，主塔连接横梁长30m，塔的倒Y分叉点距桥面60m，塔底距桥面30m，塔底横桥向距离20m。全桥张拉118条索[1]。

本文以结构动力学模态分析方法为基本理论，以ANSYS有限元分析软件作为计算工具，以斜拉桥三维有限单元模型为研究对象，研究边中跨比的变化对斜拉桥动力特性的影响，探讨斜拉桥频率、振型及其顺序的一般变化规律，有利于依据模态参数修正有限元模型，对今后结构自振频率的调整及斜拉桥的概念设计及构造设计都具有一定的指导意义。

2 有限元建模

通过ANSYS有限元分析软件对斜拉桥进行空间离散，将结构用杆、梁、索或其他形态的单元进行模拟。主梁采用单主梁法的空间“鱼骨式”模型，将加劲梁的抗弯、抗扭刚度集中在一根纵向的空间杆件上，其质量通过横向“鱼骨”沿空间分布。斜拉索锚固点为梁单元的自然节点。桥塔采用三维梁单元模拟，塔柱的截面变化和索锚固点为梁单元的自然节点。斜拉索采用杆单元模拟。对于边跨和辅助墩，为简化起见，用约束代替[2]。

在斜拉桥设计中，除对塔、主梁、斜拉索的构造形式及尺寸的选取外，主要的总体设计参数有主梁的中边跨跨径比、高跨比等[3]。这些参数将直接对斜拉桥的结构性能产生影响。此外，约束形式、辅助墩的有无、斜拉索的刚度对结构整体刚度的影响十分显著。由于本文只是对比分析斜拉桥的动力特性而并非设计，故只考虑了结构的主要设计参数，忽略了与计算无关的构造细节。

如表1所示，以原桥结构参数为基本模型，通过修改边、中跨的长度得到对比模型。

3 计算结果分析

根据空间结构图式，利用子空间迭代法计算出成桥状态的自振频率及相应振型特征[4]。表2列出了1至25阶自振频率及相应振型特征。

由表2分析可知，随着边中跨跨比的降低，结构频率和阵型有以下特点：①结构的固有频率表现出降低的趋势，降幅达63.2%；②塔出现纵飘的频率降低，降幅达21.3%；③主梁出现横弯频率降低，但主梁出现扭转时的频率有所提高；④随着边中跨跨比的减小，全桥振型仍以低阶横弯振型为主，但高阶小范围内振型顺序有变化。

4 结论

本文以结构动力学模态分析方法为基本理论，通过ANSYS有限元分析软件研究了边中跨比的变化对斜拉桥动力特性的影响，得到了斜拉桥频率、振型及其顺序的一般变化规律，对今后结构自振频率的调整及斜拉桥的概念设计及构造设计都具有一定的指导意义，对了解斜拉桥的动力性能有着重要参考价值。计算结果可为该类型桥梁的设计、施工以及使用阶段的健康检测和维护提供技术参数和依据。

参考文献：

[1]康俊涛，胡杰，董培东，等.三塔自锚式悬索桥动力特性参数影响分析[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2017（4）：543-548.

[2]程晓春，钟元.某斜拉-自锚悬索组合体系桥梁力学特性分析[J].公路交通科技（应用技术版），2017（7）：224-226.

[3]王浩，杨敏，陶天友，等.大跨度四塔悬索桥动力特性参数敏感性分析[J].东南大学学报（自然科学版），2016（3）：559-564.

[4]张文明，葛耀君.三塔双主跨悬索桥动力特性精细化分析[J].中国公路学报，2014（2）：70-76.