齐勇
枣庄市公路管理局应急抢险中心 山东省枣庄市 277100
摘要：随着桥梁跨度的不断增大，以及桥梁发展日趋轻薄型，大跨度钢管混凝土拱连续梁桥的抗震、抗风以及车辆荷载的冲击振动等许多动力问题越来越引起人们的关注。桥梁的动力性能主要取决于桥跨结构的组成体系、各构件的刚度、质量分布以及支撑条件等因素，因此对钢管混凝土拱桥进行参数分析，能够更好地了解不同参数对此类桥型动力性能的影响，从而可以合理地指导该类桥型结构的设计，对该类铁路桥梁的提速加固等都有指导意义。基于此，本文主要对钢管混凝土拱连续梁桥的动力特性进行分析探讨。
关键词：钢管混凝土；拱连续梁桥的动力特性分析
1、前言
在实际的工程条件下，桥梁的动力性能主要是取决于桥跨结构的组成体系以及各个构件的实际刚度，除此之外，桥梁本身的质量分布以及支撑条件也会对其产生一定的影响，正是因为这样，我们才需要切实的对钢管混凝土拱桥进行必要的参数分析，以此来最大程度的认识和了解各种参数对于不同桥型动力性能的实际影响，以此来较好的指导该类型桥梁结构的设计。
2、工程概况
本文以某钢管混凝土拱连续梁桥为例进行了分析，该桥主跨跨度180m，边跨梁长90m。拱肋中心距采用11.9m。拱的计算跨径L=180m，设计矢高f=36.0m，矢跨比f/L=1/5，拱轴线为抛物线。主跨拱肋采用等高度哑铃形截面，拱肋高3.10m，弦管外径Φ1.10m。两拱肋间共设9道横撑，横撑采用Φ500×14mm和Φ250×10mm空钢管。主梁采用单箱双室截面，中支点梁高10.0m，主跨跨中及边支点梁高4.5m。全桥共设18组双吊杆，吊杆间距9.0m，吊杆采用PES（FD）7－61型低应力拉索（平形钢丝束），其fpk=1670MPa，Ep=2.0×105MPa。
3、有限元模型及荷载简介
桥梁的自振特性是由其结构的组成体系、刚度、质量分布以及约束条件等一系列的因素所共同决定的，正是因为这样，我们在进行其结构计算模型的构建和模拟时就需要切实的注意其刚度、质量以及边界条件的模拟，实际上，也正是这样三种因素的共同作用直接性的决定了结构的特性，下文中将结合具体的内容来对这样三种因素模拟的要点展开说明和分析。结构的刚度模拟主要就是模拟其杆件的轴向刚度、弯曲刚度、剪切刚度以及扭转刚度，有的时候甚至还需要模拟其翘曲刚度或者是杆件之间的连接刚度；而结构的质量模拟则更多强调的是杆件平动质量以及转动质量的模拟；边界模拟则是强调其与支撑条件之间的相符程度以及协调性。钢管混凝土拱桥本身的结构形式较为复杂，因此在本文中就将建立起一种有限元桥梁模式，通过对拱肋、主箱梁、桥墩以及横撑等采用空间梁单元建模。通过动力学势能的驻值原理来建立起桥梁刚度、质量以及阻尼的矩阵从而得到我们所需要的动力平衡方程。
4、动力特性分析
在对桥梁结构的刚度以及质量进行分析时，自振频率实际上是一个非常重要的指标，这主要是因为自振频率是桥梁结构进行动力分析的必要基础之一。主振型主要决定的是结构动力相应状态发生的状况，在实际进行模拟操作的时候，可以根据已经建立起来的计算机模型并利用子空间迭代法来对桥梁前阶段中的自振频率以及振型进行分析，并在此过程中进行振型特征的说明和分析。一般来说，桥跨结构面外的横向振动影响要远远大于面内竖向振动影响，这也正是钢管混凝土拱桥结构的共性所在。
5、桥梁动力特性影响因素分析
5.1横撑布置对桥梁动力特性的影响分析
不改变横撑的材料特性和截面尺寸，现考虑以下几种模型：
方案1：去掉所有横撑，成敞口拱；
方案2：仅去掉两拱脚处两根横撑，保留中间5根横撑；
方案3：仅保留拱脚处两根横撑与拱顶处横撑，去掉中间4根横撑；
方案4：全桥设置9道横撑（原方案）。
四种方案自然频率及振型
由计算结果可知：
（1）从方案1到方案4，桥梁的第一阶振型均为拱肋对称面外弯曲，说明其横向刚度比较弱，其自振频率分别为0.100，0.148，0.265，0.331可见，随着横撑的增加，自振频率不断变大，说明横撑的设置可以明显提高钢管混凝土的横向刚度。方案2和方案3的自振频率为0.148和0.265，同时也说明对于本桥横撑布置在拱顶和1/4拱肋处时对桥梁的横向刚度贡献更大。
（2）对比桥梁的竖向基频和纵向基频可知，增减横撑和改变横撑位置对其影响不明显，纵向和竖向基频的数值没有发生任何变化（纵向为0.69左右，竖向为1.25左右），说明横撑对桥梁的纵向和竖向刚度的影响可以忽略。
（3）横撑的多少和布置，还可以改变振型的次序和形状。对于方案1，前五阶均为横向振型，而且横向基频最小，说明桥梁的横向刚度最弱。第6阶才开始出现纵向振型，竖向振型出现在第11阶；方案2在第3阶就出现了纵向振型，竖向振型出现在第9阶；方案3在第5阶就出现了纵向振型，竖向振型出现在第9阶；方案4在第3阶就出现了纵向振型，竖向振型出现在第6阶。可见，横撑的布置对桥梁的自振特性的影响较大。
综上所述，横撑的布设对全桥动力特性是有较大影响的。加设横撑，能显著提高全桥面外刚度；横撑设置位置对桥梁横向刚度也有影响，对于本桥来说，在横撑布置在拱顶和1/4拱肋处时对桥梁整体面外刚度贡献要大。
5.2主拱肋对桥梁动力特性的影响分析
在对主拱肋对桥梁动力特性的影响进行分析时首先要保证其管材材料的性质不发生改变，在此基础之上还需要保证其钢管的含钢率在应用的过程当中不发生改变，在这样一种状况下来探讨其方案。随着肋拱截面面积的增大，桥梁的自振频率也会相应的增大，且其增大的程度还比较大，这就说明，在工程环境下是可以通过拱肋截面面积的增大来提高全桥的自振频率的。
5.3约束条件对桥梁动力特性的影响
在桥梁动力特性的模型当中，其约束条件主要是：保持两拱肋始终处于固结的状态，而两边墩则采用铰接的形式来对其横向以及竖向的位移予以约束，中墩则采用单排的支座来约束其横向以及竖向的位移。在这样一种明确的约束条件控制作用下来对以下几种具体的情况进行说明和分析。一种就是原模型的约束边墩方式不变，而两中墩采用双排支座；另一种就是在原模型约束的基础上来约束两中墩的纵向线位移。经过实际的计算结果分析和对比发现，模型一说明双排支座可以明显提高整个桥梁的刚度，模型二的状况对于桥梁竖向刚度的提升也有较大的作用和贡献。
结束语
通过一系列的对钢管混凝土连续梁桥的动力特性分析提出了一下几个方面的结论和建议：一是钢管混凝土拱连续梁拱桥跨截面外的横向振动要明显的强于截面内的竖向振动影响，除此之外，就是桥梁本身横向刚度的问题也是非常之突出的，应当在实际的工程环境下得到足够的关注和重视；二是在进行变化设计参数的设计时发现，横撑的数目以及位置对于钢管混凝土拱连续桥梁的自振特性影响比较大，尤其是在其跨中的时候就更加的明显，正是因为这样，我们可以通过横撑数目的适当增加来实现结构面外刚度的提升。主拱肋刚度的变化对于整体刚度的影响也比较大。最后一点就是从动力性能的角度上来分析的话，对于钢管混凝土拱连续梁桥来说双排支座也优于单排的支座。
参考文献
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［2］陈盛水，陈宝春．钢管混凝土拱桥动力特性分析［J］．公路，2001，（2）.
［3］周劲草，严志刚，盛洪飞.大跨度中承式钢管混凝土拱桥的面内动力特性分析［J］.公路交通科技，2005，（9）.
［4］陈少峰.钢管混凝土拱桥施工监控方法研究及工程应用［J］.北京工业大学出版社，2007.
论文作者:齐勇
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2018年第20期
论文发表时间:2018/11/14
标签：刚度论文; 桥梁论文; 钢管论文; 动力论文; 混凝土论文; 特性论文; 横向论文; 《建筑学研究前沿》2018年第20期论文;