无支座简支转连续梁桥动力特性分析

郭志豪 李之达 石 彬 王 戈

(1.武汉理工大学交通学院 武汉 430063; 2.河南省交通规划设计研究院股份有限公司 郑州 450000)

随着我国交通事业的蓬勃发展，桥梁越来越多地被用在公路建设中。由于简支梁伸缩缝多，无法满足车辆的高速行驶要求，连续现浇梁施工工艺复杂、工期长、造价高等因素使发展前景受限。人们便将简支梁与连续梁的优越性能结合在一起，在预制场将简支梁批量预制，架设就位后在端部后浇混凝土形成连续结构[1]。这种先简支后连续梁梁以配筋少、外形美观、伸缩缝少、行车舒适等优点，在桥梁建设中得到越来越广泛的应用。

简支转连续梁桥，按桥墩支座的有无分为有支座和无支座连续梁桥。有支座连续梁桥结构受力明确，但需支座转换，施工工艺复杂，湿接缝处剪力大。无支座简支转连续梁桥是边墩设置橡胶支座，中墩处通过墩顶的湿接缝将简支小箱梁与盖梁固结起来；无支座连续梁桥无需更换支座，施工方便，连续处开裂后修补容易，湿接缝处剪力较小[2-3]。但无支座简支转连续梁桥连接处受力复杂，其模态响应也与有支座连续梁桥有区别，为了进一步分析有无支座简支转连续梁桥模态响应的区别，对工程中的无支座简支转连续梁桥进行数值分析，对以后无支座简支转连续梁桥发展具有一定价值。

1 工程概况

本文选用某长江大桥的一联五跨预制小箱梁引桥特大桥作为工程依托。长江南岸引桥特大桥第二联为5×30 m预制连续小箱梁。全桥采用双幅设计，桥面宽度为2×净11.75 m+0.5 m(中央分隔带)。单幅桥由4片预制小箱梁通过湿接缝连接而成，桥面层包括8 cm厚C50混凝土现浇层和10 cm厚沥青铺装；中墩处通过湿接缝将小箱梁与盖梁固结起来；墩柱采用柱式桥墩，桥台为桩柱式台。桥梁主要技术指标为：行车道数为双向4车道，公路等级为高速公路，设计车速100 km/h，公路一级，设计洪水频率为特大桥1/300，地震烈度为动峰加速度0.05g。桥梁上部结构现场见图1。

图1 桥梁上部结构现场图

2 有限元模型

运用midas Civil有限元软件，对模型进行模态分析。对无支座连续梁桥，在盖梁与小箱梁连接处设置弹性连接模拟方式，并于单支座同种模拟方式对比。本次计算使用空间梁格法，由于钢筋及预应力对模态分析影响较小，为了简化模型方便计算，建模时未考虑钢筋及预应力作用[4-5]。全桥一共5跨，梁格模型共建立1 373个节点，1 324个单元。全桥模态计算模型见图2。

图2 全桥模态计算模型

3 边界条件的模拟

对于弹性支座模型，桥梁墩柱与土壤的下部边界模拟为固定支座，盖梁与墩柱的连接为弹性连接中的刚性连接[6]；全桥支座设置为弹性连接中的一般连接，一般连接中将x，y，z方向的刚度及z轴的转动刚度设为无限大，其中无支座模型设置3排一般连接，有支座模型设置1排一般连接。具体布置见图3。

图3 弹性支座模型局部边界条件

4 模型计算结果

采用子空间迭代法，分别对2种模型进行模态分析，取2种模型的前5阶自振频率进行比较，以下列出2种模型的模态计算结果，见表1。2种模型的前5阶振型见图4。

表1 前5阶自振频率对比

图4 2种模型前5阶振型图

由以上结果可见，无支座简支转连续梁桥的每阶自振频率都比有支座的稍大，这是由于去除支座后，预制小箱梁直接与盖梁固结，使桥梁整体的刚度增大，因此，桥梁自振频率增大；无支座第一阶自振频率比有支座第一阶自振频率高13.32%，随着自振频率阶数增大，无支座自振频率与有支座自振频率差别逐渐缩小，说明有无支座在低频影响较大，在高频影响很小。

5 现场试验

现场脉动实验是在桥面无车辆荷载情况下，测量外界各种因素所引起的桥梁微小且不规则的振动，然后进行谱分析，最终得到桥梁结构的基频，本次试验主要测定桥梁的第一阶自振频率。

主桥测点布置为：于每跨4等分点处各布置1个竖向拾振器，拾振器布置见图5。

图5 脉动拾振器纵向布置图

经现场实验后，对振动信号进行频谱分析，得出图6所示频谱，由频谱图可得出该桥实测第一阶固频为3.906 Hz，与计算第一阶固频3.921 6 Hz接近，体现对该桥有限元模拟的正确性，同时也表明该无支座简支转连续梁桥的刚度满足设计要求，桥梁的整体性良好。

图6 脉动测试频谱分析

6 结论

1) 无支座简支转连续梁桥的自振频率比有支座的稍大。

2) 在低频阶段，有无支座对自振频率的影响较大，随着阶数的提高，有无支座对自振频率的影响逐渐减小。

3) 通过现场实验验证，实测结果与计算值有良好的吻合性，桥梁刚度满足设计要求。