结构参数变化对大跨度斜拉桥动力特性的影响分析

李云逸

(长沙理工大学 土木工程学院, 湖南 长沙 410114)

结构动力特性是结构本身的固有特性,它取决于结构刚度、质量、质量分布及支撑条件等[1]。斜拉桥的抗风性能、抗震性能及结构体系问题都与动力特性密切相关,因此对斜拉桥进行动力特性分析十分必要。针对大跨度斜拉桥动力特性的影响因素分析,Ni Y. Q.等采用SVM技术将温度效应对汀九斜拉桥振动频率的影响进行了量化[2];张志恒等以某大跨度双塔双索面斜拉桥为例,在对拉索弹性模量进行修正的前提下,分析了主梁刚度、主塔刚度及斜拉索截面积变化对斜拉桥动力特性的影响[3];吴兴邦等分析了加劲梁弹性模量、横向抗风支座及边跨辅助墩等参数对三塔斜拉桥动力特性的影响[4];赵瀚玮等基于黄冈公铁两用斜拉桥结构振动加速度与结构温度的长期监测数据,研究了温度对桥梁竖向动力特性的影响[5];杨志魁研究了自质量、刚度、有无纵向水平索、索力大小对西安富裕路沣河钢拱塔斜拉桥动力特性的影响[6]。上述文献主要对宽度较小的斜拉桥动力特性影响因素进行分析,对大跨度宽幅斜拉桥的研究较少。本文以武汉西四环汉江特大桥为研究对象,采用ANSYS有限元软件建立斜拉桥有限元模型,分析二期恒载、拉索损伤和拉索断裂等结构因素对大跨度斜拉桥动力特性的影响。

1 工程概况

武汉西四环汉江特大桥主桥为宽幅双塔双索面半漂浮体系混凝土斜拉桥,长度714 m,主跨分布为77 m+100 m+360 m+100 m+77 m,桥面宽度44 m。主梁为双边箱Π形梁,主塔为H形,每个索面有28对斜拉索。主要构件的材料参数见表1、表2,拉索编号规则见图 1。

表1 斜拉桥主要构件的材料参数

2 斜拉桥有限元分析模型

为确保桥梁模型动力分析的准确性,在建立有限元模型时,结构质量、刚度及边界条件的设置应与工程实际相符[7]。采用ANSYS有限元软件建立汉江特大桥脊骨梁式空间杆系模型,主梁、刚臂(塔柱和塔柱间横梁)和桥墩、桥塔均采用Beam 188单元模拟,拉索采用Link 10单元模拟,对主塔进行变截面处理。全桥共划分为1 105个单元。全桥有限元模型见图2。

表2 拉索的材料参数

图1 汉江特大桥拉索编号示意图

图2 汉江特大桥有限元模型

该桥为半漂浮体系,主梁、主塔固结,桥墩、桥塔底部固结,主梁、桥墩施加横向和竖向约束,对主梁、主塔处作耦合处理。

3 结构动力特性分析

汉江特大桥前20阶振动频率、振型见表3。根据表3,汉江特大桥的基频为0.395 75 Hz,不属于长周期(不超过5 s),对应振型为主梁和主缆的一阶对称竖弯;各阶频率差值较小,频率出现集聚现象,与大跨度半漂浮体系斜拉桥动力特性的一般规律相符;主塔第3～6阶模态出现横弯,高耸空心塔柱的抗弯刚度较弱。

表3 汉江特大桥前20阶自振频率和振型描述

4 结构参数变化对动力特性的影响

斜拉桥自振频率会受到斜拉桥结构质量和刚度的影响[1],桥面更换、斜拉桥二期恒载会因此产生变化。相关研究表明,二期恒载尽管在恒载质量中占比不大,但不可忽略,会改变大跨度斜拉桥的自振频率[8];拉索损伤对桥梁动力性能存在影响[9-10],拉索受到损伤后其有效面积减小,弹性模量折减,拉索损伤程度越大,对动力特性的影响越大[11];拉索断裂后斜拉桥结构内力重分布,会增大结构倒塌的风险,正确评估拉索断裂情况下斜拉桥的动力性能是斜拉桥抗倒塌研究的重要内容[12]。结合汉江特大桥的实际情况,对不同二期恒载、拉索弹性模量及拉索断裂时该桥的动力特性进行计算,分析结构参数变化对该桥动力特性的影响。

4.1 二期恒载变化对动力特性的影响

根据该桥可能维修的情况,将二期恒载分别降低和提高10%、20%进行动力特性计算,分析二期恒载变化对该桥动力特性的影响。不同二期恒载下该桥前10阶振动频率见表4。

由表4可知:正负20%以内二期恒载变化对该桥动力特性的影响较小,各阶振动频率变化率均小于0.1%;增大二期恒载,自振频率降低;减小二期恒载,自振频率增大。

表4 不同二期恒载下斜拉桥的振动频率

4.2 拉索损伤对动力特性的影响

随着桥梁服役时间的增长,拉索会出现损伤。拉索损伤主要包含拉索承载截面积减小和材料性能劣化引起拉索弹性模量改变两方面[13-14]。拉索弹性模量变化是拉索刚度改变的可能因素之一。拉索未损伤时的弹性模量为1.95×1011Pa,考虑拉索性能劣化导致弹性模量分别减小5%和10%、拉索锈蚀等导致拉索有效截面积分别减小5%和10% 4种工况,分析拉索损伤对该桥动力特性的影响。各工况下该桥前20阶振动频率见表5。

表5 拉索损伤对斜拉桥动力特性的影响

由表5可知:随着拉索损伤程度的增大,该桥振动频率减小,且振动频率变化率增大,对桥梁动力特性的影响增大。拉索损伤对该桥第3～6阶及第10阶振动频率几乎没有影响;对第7～9阶、第14阶及第17～20阶振动频率有影响,但改变率小于2.00%;对第1～2阶、第11～13阶及第15～16阶振动频率的影响较显著,最大改变率约为3.95%。另外,拉索承载截面积变化对该桥动力特性的影响略大于弹性模量变化的影响。

4.3 拉索断裂对动力特性的影响

斜拉桥按超静定结构设计,通常可以经受某根拉索的断裂,但各索力的重新分配会加速拉索的疲劳损伤甚至导致拉索发生断裂。在该桥上游端选取9×4=36根拉索模拟拉索断裂。根据相关研究成果,长索断裂对斜拉桥动力特性的影响较明显。因此,在长索区设置更多的拉索断裂工况,每跨均匀选取9种拉索断裂工况进行研究。不同拉索断裂工况下该桥的动力特性变化见图3～6。

图3 3#塔边跨单根拉索断裂工况下斜拉桥的振动频率变化

图4 3#塔中跨单根拉索断裂工况下斜拉桥的振动频率变化

图5 4#塔边跨单根拉索断裂工况下斜拉桥的振动频率变化

图6 4#塔中跨单根拉索断裂工况下斜拉桥的振动频率变化

由图3～6可知:边跨发生拉索断裂,该桥第1阶、第7阶、第11～12阶振动频率变化较明显,变化率大于0.3%;中跨发生拉索断裂,第11～12阶、第15阶振动频率变化较明显,变化率大于0.3%;拉索断裂对第3～6阶、第10阶、第19阶振动频率几乎没有影响。整体来说,拉索断裂后该桥的振动频率减小。长索端发生拉索断裂,桥梁动力特性变化尤其明显,相邻拉索发生断裂,振动频率变化率相差较大;短索端拉索断裂,桥梁动力特性几乎不发生变化。

5 结论

(1) 二期恒载变化对斜拉桥动力特性的影响很小,第3～6阶振动频率几乎不受二期恒载变化的影响。二期恒载变化对斜拉桥动力特性的影响可不予考虑。

(2) 拉索损伤对斜拉桥动力特性的影响较大,最大振动频率变化率为3.95%;拉索损伤程度越大,振动频率越小;振动频率变化率越大,对动力特性的影响越大;拉索有效截面积的改变对振动频率的影响最突出。

(3) 单根拉索断裂对斜拉桥动力特性的影响较小,其中长索断裂时动力特性变化较明显,短索断裂时动力特性变化很小。拉索断裂主要考虑长索发生断裂的情况,以中跨长索发生断裂对动力特性的影响最明显。