自錨式斜拉-懸吊協作體系橋動力特性分析

動力特性建模分析橋梁結構的動力特征主要指結構本身的自振頻率和主振類型。這是橋梁研究的重要課題之一。自錨式斜拉-懸吊協作體系橋是一種新型體系,該體系不但繼承了傳統的地錨式斜拉-懸吊協作體系橋(以下簡稱地錨體系橋)的大部分優點,而且由于取消了龐大的錨錠(僅施工時采取臨時錨固措施),進一步降低了工程造價,更好地適應了深海軟土地基的建設。目前,國內即將興建的大連莊河大橋以及規劃中的大連港跨海大橋均是采用這種協作體系,而目前對自錨式斜拉-懸吊協作體系橋動力特性的研究還幾乎是空白。為此,本文以大連港跨海大橋為背景,通過建立空間有限元計算模型對其動力特性進行分析,并與地錨式斜拉-懸吊協作體系橋進行了對比,同時還就一些結構參數的變化對自錨式斜拉-懸吊協作體系橋動力特性的影響進行了研究,對其影響規律進行了討論。為自錨式斜拉-懸吊協作體系橋的抗震抗風設計及進行地震和抖振響應分析提供了基礎依據,具有一定的參考價值。1斜軸連接系統橋的動力特征分析1.1航道航道濾橋結構大連港跨海大橋是跨越大連灣的一條公路通道,主要功能是溝通大連灣兩側新老市區,將大連灣北部的高速公路和南部快速路相互銜接起來。考慮到大連灣內船舶等級和航空安全的需要,要求大連港航道通航孔橋主跨為800m,橋下凈空為53m,橋塔頂標高≯174m,穿越錨地兩側安全帶距離為700m。大橋工程所處大連灣水域水深約10m,為降低在水中修建錨錠的難度和風險,降低工程造價、縮短工期,橋梁工程師們構思出了自錨式斜拉-懸吊協作體系橋,其主跨由520m的斜拉橋和280m的懸索橋這兩種設計和施工都比較成熟的體系綜合而成,其中懸索橋在施工時采取臨時錨固措施,成橋后錨固于主梁上形成自錨體系(見圖1)。1.2纜索的單元模擬及垂度效應采用脊梁模式建立該橋的空間有限元模型,見圖2。模型中主梁、主塔、橋墩及橫系梁等采用空間梁單元模擬,主纜、吊桿和斜拉索則采用空間桿單元模擬,并考慮了其初內力對結構剛度矩陣的貢獻,纜索的垂度效應利用Ernst公式對彈性模量進行修正加以考慮。此外,對橋面鋪裝的模擬僅計其質量,不考慮其剛度。同時,為便于與地錨式斜拉-懸吊協作體系橋的動力特性進行對比,僅將自錨式斜拉-懸吊協作體系橋主纜的錨固方式進行修改,即將主纜兩端直接錨固于地面,其余條件均相同。1.3動力特性分析利用上面建立的空間有限元模型,采用Lancons法對自錨式和地錨式斜拉-懸吊協作體系橋的動力特性進行了計算,表1給出了前10階頻率和主振型。2結構參數變化時自振頻率的影響橋梁結構的頻率和振型與其剛度和質量有關。因此,加勁梁剛度、主塔剛度等結構參數發生變化時,均會對結構的自振頻率產生影響。這里以大連港跨海大橋為例,研究上述參變量對自錨式斜拉-懸吊協作體系橋動力特性的影響。2.1阿迪斯斜帶的剛度變化對動力學特性的影響2.1.1階豎向振動頻率加勁梁豎向剛度變化對動力特性的影響見圖3。由圖3可見,當主梁豎向撓曲剛度按1.0～2.0倍率發生變化時,自錨式斜拉-懸吊協作體系橋的一階豎向振動頻率值逐漸增大,由于一階縱飄振型與其是耦合在一起的,故其頻率值也呈增大的趨勢,頻率值從0.11360Hz增大到0.12239Hz。而主梁豎向剛度的增大,對一階橫向和一階扭轉頻率影響甚微,二者的頻率值幾乎沒有變化。2.1.2階扭轉振型主要從振動的角度區分,主要有外在聯梁加勁梁橫向剛度變化對動力特性的影響見圖4。由圖4可見,當主梁橫向彎曲剛度從1.0倍遞增到2.0倍時,自錨式斜拉-懸吊協作體系橋的一階豎彎和一階縱飄頻率未發生任何變化,始終保持在同一數值,但一階橫向振動頻率值增幅較為顯著,從0.16397Hz增大到0.20698Hz。同時,隨著主梁橫向彎曲剛度的加大,對一階扭轉頻率也產生了一定的影響,數值有所增加,這是由于一階扭轉振型中伴有主梁橫彎、主塔橫彎、纜索振動等多種振型的耦合成分,形成塔、梁、纜共同參振的扭轉振動,因而主梁橫向抗彎剛度的提高導致了一階扭頻的增大。從抗風的角度來看,扭轉振動的多振型耦合參振可以分擔主梁從導流中吸收的能量,有助于提高結構的顫振臨界風速,增強結構的抗風穩定性。此外,再結合一階豎彎和一階縱飄的耦合可以看出,自錨式斜拉-懸吊協作體系橋的動力特性是頗為復雜的,進行地震和抖振響應分析時必須采用能夠考慮多振型耦合振動的分析方法,否則將會對計算結果造成很大的誤差。2.2塔架的剛性變化對動態特性的影響2.2.1縱向剛度的影響橋塔縱向剛度變化對動力特性的影響見圖5。由圖5可見,當主塔縱向剛度按1.0～2.0倍率發生變化時,自錨式斜拉-懸吊協作體系橋的一階扭轉頻率幾乎不受其影響,橫向振動頻率值稍有增加,但變化并不明顯,只有一階縱飄和一階豎彎頻率值隨著主塔縱向剛度的加大,呈現出較強的增大趨勢,頻率值從0.11360Hz增大到0.14738Hz。但對大跨徑橋梁來講,若單純通過增大橋塔的剛度來提高結構的縱向振動頻率,以減小在動力荷載作用下過大的位移顯然是不經濟的。在滿足靜力分析的前提下,設計者對主塔剛度的合理選取,應結合其他一些可以起到同樣效果的約束方式來進行,如設置縱向彈性約束等。2.2.2階橫向振動頻率橋塔橫向剛度變化對動力特性的影響見圖6。由圖6可見,當主塔橫向剛度按1.0～2.0倍率發生變化時,自錨式斜拉-懸吊協作體系橋的一階橫向振動頻率略有增加,從0.16397Hz增大到0.16735Hz,而一階豎彎和一階縱飄頻率沒有變化。同時,在橋塔橫向剛度增加的過程中(尤其是在剛度增加的初期),對一階扭轉頻率也產生了一定的加強作用,其原因也是由于作為一階扭轉振型的耦合成分,主塔橫向抗彎剛度的加大提高了一階扭轉振動頻率。3中高階振型對自錨式斜拉-懸吊協作體系橋結構的影響3.1自錨式斜拉-懸吊協作體系作為一種柔性結構體系,其基本自振周期長,振型分布密集,振型間相互耦合,當采用振型分解的方式進行地震和抖振響應分析時應多選取一些振型,且對各階振型結果的處理要采用能考慮振型間相關性的CQC法,不應使用SRSS法。3.2主梁和主塔豎向和縱向彎曲剛度