吊桿應(yīng)力對拱橋自振特性的影響分析

　　摘要：中、下承式拱橋建筑造型極佳，在城市橋梁中往往受到青睞而成為城市的標(biāo)志性建筑，目前仍在向更大跨徑、更大規(guī)模的方向發(fā)展，應(yīng)用區(qū)域和范圍也在不斷擴大。但是，近些年來由于主客觀原因?qū)е铝艘恍┲�、下承式拱橋發(fā)生坍塌事故，造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。采用ANSYS有限元程序，建立該下承式鋼管混凝土拱橋的空間有限元計算模型，

　　分析不同吊桿損傷對橋梁自振特性的影響，計算結(jié)果表明，吊桿損傷對該拱橋的自振頻率影響較大，吊桿損傷導(dǎo)致橋梁豎向和扭轉(zhuǎn)自振頻率降低。計算結(jié)果可為橋梁使用階段的健康檢測和維護提供參考。

　　關(guān)鍵詞：拱橋；有限元法；自振；吊桿；

　　1引言

　　中、下承式拱橋建筑造型極佳，在城市橋梁中往往受到青睞而成為城

　　市的標(biāo)志性建筑，目前仍在向更大跨徑、更大規(guī)模的方向發(fā)展，應(yīng)用區(qū)域和范圍也在不斷擴大。但是，近些年來由于主客觀原因?qū)е铝艘恍┲�、下承式拱橋發(fā)生坍塌事故，造成了嚴重的人員傷亡和經(jīng)濟損失。中、下承式拱橋主要由拱肋、橋面系及吊桿系3部分組成，其中吊桿系不但是主要的傳力(承力)構(gòu)件，也是易損構(gòu)件，中、下承式拱橋的斷橋與垮塌事故大多與吊桿的健康狀態(tài)有關(guān)，吊桿的損傷會引起吊桿拉伸剛度的變化，而拱橋橋面系可視為由吊桿彈性支承于拱肋上的一個超靜定結(jié)構(gòu)，部分吊桿剛度的變化必然會引起中、下承式拱橋自振特性的變化[1]，因此，可以根據(jù)中、下承式拱橋自振特性的實測值相對其健康檔案中的標(biāo)準值之變化，來對中、下承式拱橋的健康狀況進行診斷與評估。對中、下承式拱橋健康狀態(tài)做出正確判斷的關(guān)鍵一步是了解吊桿損傷后橋梁自振特性的變化，為中、下承式拱橋的健康檢測與診斷提供詳實資料�；�于此，本文探討吊桿損傷對下承式鋼管混凝土拱橋自振特性的影響。

　　2橋梁結(jié)構(gòu)計算有限元建模

　　某大橋主橋為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，共有8跨，雙向8車道，上下行分離，單幅橋面凈寬21m，每跨橋墩中心距100m，計算跨徑95.5m，矢跨比1/4.5，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數(shù)1.347。拱肋采用2根φ1100mm×16mm焊接鋼管，之間采用2塊厚16mm腹板焊接形成高2.4m、寬1m的雙啞鈴形主拱肋，拱肋鋼管內(nèi)澆注C5O混凝土，支座與第1根吊桿間的拱肋腹腔內(nèi)澆注C5O混凝土，其余部分腹腔不澆注混凝土。系桿梁采用寬2.0m、高2.75m的預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橫梁采用預(yù)應(yīng)力工字形組合梁，梁高2.2m，間距7.1m，兩端與預(yù)應(yīng)力混凝土箱形截面系桿梁整澆在一起，系桿梁通過吊桿懸吊在鋼管混凝土拱肋上。每跨設(shè)12對吊桿，吊桿采用91φ7鍍鋅鋼絲。橋面采用預(yù)制Ⅱ形道板，上鋪80mm厚鋼筋混凝土現(xiàn)澆鋪裝層。上部結(jié)構(gòu)通過盆式橡膠支座支承于鋼筋混凝土墩身上。2個平行肋拱間設(shè)置2道“K撐”和1道“一字撐”。

　　為分析該主橋單幅單跨的自振特性，采用有限元軟件ANSYS建模。該橋的拱肋與橫撐雖采用雙啞鈴形截面，但根據(jù)文獻[2]試驗結(jié)果，其橫截面基本滿足平截面假定，計算時可對其進行相應(yīng)簡化，用通過雙啞鈴形截面形心的梁單元模擬。根據(jù)計算經(jīng)驗[3-6]，系桿梁、橫梁、拱肋和橫撐等構(gòu)件均采用空間梁單元(BEAM4)進行離散；吊桿采用只承受拉力的空間桿單元(LINK1O)模擬；將預(yù)制鋼筋混凝土Ⅱ形道板離散為2種單元，把板肋看作橋面系的縱梁，用空間梁單元(BEAM4)模擬，而板肋之間的橋面板用板殼單元(SHELL63)模擬，橋梁空間有限元計算模型見圖1。計算模型節(jié)點總數(shù)為1002個，單元總數(shù)2O12個，其中空間梁單元1064個，空間桿單元24個，空間板殼單元924個。橋梁邊界條件按一端鉸支，另一端滑動處理。計算采用的材料常數(shù)根據(jù)橋梁相關(guān)規(guī)范確定。拱肋鋼管混凝土以混凝土及鋼材的實際用量計算其平均密度值，拱肋截面剛度EA、EI根據(jù)文獻[7]所推薦的公式計算確定。

　　3計算結(jié)果及其分析

　　橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性主要包括自振頻率和振型等，它們是進行橋梁結(jié)構(gòu)動力分析的重要參數(shù)和橋梁抗震設(shè)計的基礎(chǔ)，在橋梁鑒定和驗收規(guī)范中對橋梁的豎向和橫向自振頻率的限值均有一定的規(guī)定，正確計算橋梁結(jié)構(gòu)的自振特性對橋梁結(jié)構(gòu)的正常維護也具有十分重要的意義。根據(jù)大橋主橋的實際特點，分8種工況計算了該橋的自振特性(注：上游方向拱肋為外側(cè)，吊桿編號用D表示，下游方向為內(nèi)側(cè)，吊桿編號用d表示)：工況1，橋梁完好狀態(tài)；工況2，去除外側(cè)1/4跨位置處吊桿(去除D3、D10吊桿)；工況3，去除外側(cè)跨中位置處吊桿(去除D6、D7吊桿)；工況4，去除對稱1/4跨位置處吊桿(去除D3、d3吊桿)；工況5，去除對稱跨中位置處吊桿(去除D6、d6吊桿)；工況6，去除斜對稱1/4跨位置處吊桿(去除D3、dl0吊桿)；工況7，去除斜對稱跨中位置處吊桿(去除D6、d7吊桿)；工況8，去除外側(cè)1/4跨位置處1根吊桿(去除D3吊桿)。

　　在結(jié)構(gòu)自振特性分析中，一般情況下結(jié)構(gòu)前幾階自振頻率和振型起控制作用，所以，只需求結(jié)構(gòu)的前幾階自振頻率和振型，本文計算了該橋梁前1O階自振特性。表1列出了橋梁完好狀態(tài)吊桿沒有損傷工況下的自振頻率和振型特征，表2列出了吊桿損傷工況下的自振頻率，及其相對于工況1頻率的變化率D(百分比)，D：(本工況自振頻率計算值一對應(yīng)工況1自振頻率計算值)／對應(yīng)工況1自振頻率計算值。圖2、圖3給出了工況8所對應(yīng)的橋梁部分振型。

　　表1橋梁完好狀態(tài)下的自振頻率及振型特征　

　　表2各工況吊桿損傷狀態(tài)下橋梁的自振頻率f及變化率D

　　振型

　　根據(jù)以上7種吊桿損傷工況計算得到的自振頻率計算結(jié)果可以看出：對于該拱橋，吊桿損傷對該橋低階自振頻率影響較小，而對第4階、第8階自振頻率影響相對較大，這2階振型分別是以橋梁的豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動為主，其他各階自振頻率變化較小。由于吊桿是構(gòu)成該類橋型整體剛度特別是豎向和扭轉(zhuǎn)剛度的重要組成部分，因此，吊桿損傷對該橋的豎向振動和扭轉(zhuǎn)振動影響較大。從吊桿損傷各工況前10階自振頻率計算結(jié)果可以看出，跨中吊桿損傷比1/4跨處吊桿損傷對該橋的自振頻率影響大。吊桿的損傷對橋梁橫向自振頻率影響較小。

　　4結(jié)論與建議

　　本文根據(jù)某大橋主橋的實際特點，分8種工況計算了該橋的自振特性，分析了多種吊桿損傷工況下該橋的自振頻率變化規(guī)律，計算結(jié)果表明：

　　(1)吊桿的損傷對該拱橋豎向和扭轉(zhuǎn)振動的自振頻率影響較大，拱橋吊桿的損傷將導(dǎo)致橋梁豎向和扭轉(zhuǎn)振動自振頻率的降低，可見吊桿的完好對整橋的安全性至關(guān)重要；

　　(2)吊桿的損傷對橋梁橫向振動頻率影響較小，計算結(jié)果符合物理概念。

　　根據(jù)實測的橋梁自振頻率值與橋梁健康狀態(tài)下對應(yīng)量的變化，再結(jié)合其他吊桿損傷檢測技術(shù)，可綜合判別出中、下承式拱橋吊桿的工作狀態(tài)，這樣可節(jié)約橋梁常規(guī)檢測時間和內(nèi)容，便于橋梁養(yǎng)護。建議在布置傳感器時，考慮吊桿損傷對中、下承式拱橋振動頻率的影響，來優(yōu)化布置傳感器，使有限測點的傳感器布點最優(yōu)，否則有些吊桿損傷引起的橋梁振動特性的變化不能被測試得到�！　�

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