自锚式悬索桥结构有限元动力分析

叶作权 路华丽

(1.天津市陆海测绘有限公司，天津 300304； 2.天津大学建筑工程学院，天津 300072)

1 概述

随着交通事业的快速发展，大量复杂桥梁因此快速兴建。由于桥梁生命线的重要地位，桥梁的安全耐久，抗震性能受到了特别关注[1]。桥梁健康监测是桥梁安全的重要保障，其中桥梁结构的动力分析技术引起研究者的重视[2]。

2 研究现状

桥梁结构的动力分析，最初研究者采用简单的“鱼骨梁”模型进行分析。通过不断的研究发展，采用更为先进的板壳等基本单元建立构造上类似于桥梁结构实体的模型进行分析[3]。但是在桥梁健康监测中对桥梁局部应力及疲劳累积等问题的实时评估，这类模型仍然不能满足要求。随着有限元分析技术的发展，它成为桥梁结构动力分析技术的一个重要研究方向[4]。就目前的研究现状而言，有限元建模、模型修正及参数识别技术在有关复杂桥梁结构动力分析的研究，仍是桥梁结构健康监测领域的挑战性研究课题。

3 桥梁结构有限元动力分析

3.1 研究对象

坐落于天津市中心城区的富民桥工程四周是综合开发与规划的海河两岸智慧城，其北起富民路，南接洞庭路。主桥是独柱单塔的自锚式悬索桥，悬索为空间索面，主跨的主缆索锚固于主梁的两侧，边跨的主缆索锚固于地锚。主跨主缆使用在立面和平面均为抛物线的三维空间线形，边跨主缆使用不加竖向吊索形式的两根并排一组的缆索。全桥总长340.3 m，主跨157.081 m，辅跨86.4 m。河东侧引桥是三跨连续梁(19+20+19.6)m，由普通钢筋混凝土构成，河西侧引桥38.219 m，是单跨带悬臂的钢筋混凝土的框架结构。跨河的主桥桥面的标准宽度为38.6 m，一侧横向布置包括：0.8 m的吊索锚固区+0.5 m的防撞护栏+3.75 m的非机动车道+(3.75 m+2×3.5 m)的机动车道+0.5 m的路缘带+0.5 m的防撞护栏+5.0 m的主塔区，另一侧沿着主塔区成对称布置。其全貌图如图1所示。

3.2 模型建立

为了掌握富民桥的动力特性，首先采用有限元方法对桥梁结构进行模态分析，得到桥梁结构的模态参数。有限元方法的优点是它可以考虑桥梁结构的材料特性、构件的刚度、边界条件和其他方面对结构的影响，并且可以分析复杂结构的动态特性。常用的分析软件通常包括Ansys,Midas,SPA2000,Abaqus等，为了对富民桥进行模态分析，本文采用适合桥梁结构分析的Midas Civil 2017有限元软件。

要准确建立结构的有限元模型，结构的质量、刚度和边界条件的模拟是关键因素，因为它们与结构特性有关，建立模型的时候必须与桥梁当前实际结构保持一致。脊梁模式模拟方法适用于悬索桥结构的动力计算，故采用它模拟富民桥桥面系。其主要原理是将桥面的平动质量、转动惯量、横向刚度、竖向刚度以及扭转刚度集中在中心节点上，可以充分模拟主梁的质量系统和刚度系统。采用索单元模拟悬索桥的吊索和主缆，采用空间梁单元来模拟墩台和索塔等。建立富民桥的有限元模型如图2所示。

3.3 动力分析结果

利用上述建立的天津市富民桥有限元模型，计算该悬索桥前5阶振型，其固有频率及对应振型的计算结果见表1和图3。

表1 富民桥结构有限元分析前5阶固有频率

从表1和图3分析可知，天津市富民桥前5阶的振型分别是主梁竖弯、主梁扭转、主缆扭转、主梁竖弯和主缆扭转。

4 结语

通过以上的建模及计算分析可知，应用有限元软件Midas Civil进行桥梁结构的动力分析，其分析结果可行并可靠。运用该方法进行桥梁结构动力分析高效、简洁、方便且可以实现可视化，因此在桥梁动力分析方面应用性和适用性非常广泛。