飛雁式鋼管雙層橋面飛雁式鋼管鋼管混凝土復合拱橋動力分析

1鋼管混凝土系新型橋梁雙臂混凝土格構拱橋可以減小橋面寬度，降低成本，但張力復雜，施工期間已進行多次翻新。鋼管—鋼管混凝土復合拱橋是在鋼管混凝土拱橋基礎上發展起來的一種新型橋梁。其拱肋在拱腳一定范圍內采用鋼管混凝土,其余部分為空鋼管段,因此重心降低、自重減輕,拱肋橫向受力性能得到提高。雙層橋面鋼管—鋼管混凝土復合拱橋結合雙層橋面橋梁和鋼管—鋼管混凝土復合拱橋的特點,具有一定的優越性,是鋼管混凝土拱橋向多元化、輕型化發展的產物,對這種復雜橋梁結構的動力分析具有一定的現實意義。2鋼管混凝土拱肋的設計衡陽衡酃路湘江特大橋主橋跨徑布置為60m+60m+184m+60m+60m,是鋼管桁梁飛雁式系桿拱橋(如圖1),結構全長425.5m,兩端梁縫中距425.7m。中拱為中承式無鉸雙肋形式,上層橋面以上拱肋采用全桁架式,以下部分至拱腳段拱肋采用雙啞鈴型實腹式。拱肋為變截面,拱軸線采用懸鏈線形式,拱軸系數m=2.48。計算跨度178m,矢高36m,矢跨比1/4.944,拱肋外傾7度。拱肋在拱腳一定長度內灌注C50混凝土,其余部分為空鋼管段。邊拱拱肋為2根單管形成桁架形式,拱肋上下桿通過腹桿或腹板形成桁架形式,上弦桿與上層橋面以上采用桁架式鋼管混凝土拱肋,以下采用啞鈴型實腹式拱肋,拱軸線采用三次拋物線。計算跨徑42m,矢高6.753m,矢跨比1/12.439,拱肋外傾5度。拱肋在拱腳10.90m長度內灌注C50混凝土,其余部分為空鋼管段。邊跨鋼管桁架采用不平行弦桿有豎桿三角桁架,弦桿是邊跨拱肋弦桿的延伸。中拱拱肋共設置5道肋間橫撐,拱頂處設置一道米字撐,其余為K撐,各橫撐之間縱向水平投影間距20～30m。吊桿采用縱向雙吊桿體系,設38對共76根吊桿,中心距為7～8.0m,吊桿傾角與中拱傾角一致,同為外傾7度。系桿設置在上層橋面,錨固在邊跨鋼管桁梁輔助墩以外的大節點處。中拱范圍內橋面系采用懸吊縱橫梁體系,以吊桿懸吊于拱肋下弦或上弦,橫梁縱向中心間距7～8m。上下兩層橋面的縱橫梁均采用焊接H形截面。邊跨及邊拱范圍內橋面系上層橫梁除系桿錨固橫梁采用焊接箱形截面外,其余橫梁均為焊接H形截面,下層橫梁及上下層縱梁采用焊接H形截面。三角區橋面系主結構由橫梁、縱梁和立柱組成。3橋面有限元模型湘江特大橋的主要構件包括:作為主拱圈的桁式鋼管-鋼管混凝土構件,連接拱肋的橫撐,連接拱肋和上下橋面并傳遞荷載的吊桿、立柱,作為橋面系組成部分的鋼橫梁、鋼縱梁以及橋面系。本文采用大型通用有限元軟件ANSYS對該橋建模,有限元模型如圖2所示。全橋節點2750個,單元4456個。橋面系用等效荷載加載,其他構件的模擬情況如下:3.1鋼結構平面內連接方式采用空間梁單元BEAM44模擬桁架拱肋,考慮到拱圈受剪力較小,腹管長度小,因而受剪力的影響較小,所以采用的空間梁單元不考慮剪力。拱腳填充混凝土的實腹段采用BEAM44分別建立空鋼管與混凝土單元,通過共用節點實現兩者的連接。腹管與桁片相交于桁片節點,即忽略實際結構中腹管與鋼管外表焊接與簡化模型中交于一點的差異。加勁肋用殼單元SHELL63模擬。3.2吊桿單元模型橫撐為空腹鋼管桁架,采用空間梁單元BEAM44模擬。梁單元的各節點坐標和實際構件的設計軸線位置相符,橫撐各鋼管相互交接點均為理想的軸線交點,即不考慮實際鋼管相互焊接的構造細節。實際吊桿為鋼鉸線吊桿,考慮到橋面系有相當大的重量,吊桿始終處于受拉狀態,因此采用空間桿單元LINK10模擬吊桿,桿單元只傳遞軸力,上下端分別與拱圈桁片和橋面橫梁相連接。系梁采用空間桿單元LINK10來模擬。橫梁、縱梁、立柱以及樁采用空間梁單元BEAM44模擬。3.3單元模擬樁土相互作用主橋樁土邊界條件采用COMBIN14單元模擬樁土相互作用。邊跨通過支座支撐在橋墩或橋臺上,整座橋兩邊設有伸縮縫,伸縮縫采用COMBIN14單元模擬。4結構動力特性根據有限元模型,對結構的自振特性求解得出前12階自振頻率見表1,各階振型見圖3～14。由分析結果可以看出,主拱拱肋的第一階振型為對稱橫彎,基頻為0.63515Hz。前11階振型均為面外橫彎,面內豎彎在第12階才出現,說明結構面外剛度較面內剛度小得多,需注意面外失穩問題。邊跨振型比主跨振型出現更遲。振型主要表現為橋面系與拱肋的橫彎。為分析結構的動力特性影響因素,在原模型的基礎上作一定的修改,對細節問題如參數取值的影響做一定的討論。主要考慮因素如下:4.1鋼管混凝土復合橋墩面外基頻及其比鋼管—鋼管混凝土復合拱橋由于自重較小、重心較低,對提高拱肋的橫向穩定性和減小橫向地震作用力有積極的作用,同時也避開了拱頂段管內混凝土不密實的問題。拱肋鋼管截面均取設計圖拱截面,在其它因素不變的情況下,分析比較拱腳段鋼管混凝土拱肋長度對其自振特性的影響。其自振特性計算結果見表2。從表2可以看出,拱肋混凝土填充量對橋面結構的影響很小。當拱肋內填充混凝土到52.18m處時,面內基頻和面外基頻都最大,之后,隨著混凝土填充長度的增加,面內基頻和面外基頻減小。這主要是由于隨著拱腳段鋼管混凝土長度的增加,拱肋的重心有所提高,因而拱肋面外穩定問題比較突出。從鋼管拱橋到鋼管—鋼管混凝土復合拱橋,面外基頻與面內基頻之比降低不大,從鋼管—鋼管混凝土復合拱橋到鋼管混凝土拱橋,面外基頻與面內基頻之比降低較大,由此可見,在鋼管—鋼管混凝土復合拱橋中的拱腳段混凝土的長度,對其動力性能有一定的影響,尤其是從拱腳段混凝土長度為L/4到鋼管混凝土拱橋階段。這是因為,此時拱肋重心提高相對于拱肋從鋼管拱橋到鋼管—鋼管復合拱橋這一過程更明顯。所以,如果拱肋能滿足面內承載力的強度的要求下,不必過分增加拱腳段混凝土的長度。這也充分說明,鋼管—鋼管混凝土復合拱橋這一新型橋梁具有一定的合理性。4.2橫撐對自振特性的影響橫撐布置對橋跨結構豎向靜力受力影響不大,而對穩定性和動力特性有較大的影響。布置橫撐對提高側向即面外自振頻率值和穩定性有很重要的作用,橋面上橫撐對橋梁的美觀性和橋上的視覺效果有一定影響。湘江特大橋為保證結構橫向穩定性能,中拱拱肋共設置5道肋間橫撐。為了分析橫撐對結構自振特性的影響,在原模型的基礎上分別去除部分橫撐,進行自振特性的計算,結果見表3。從表3可以看出,橫撐的增加,拱橋的面外剛度基頻增大比較明顯,面外的穩定性得以改善,但對面內基頻而言卻改善不明顯,甚至會有所減少,這是因為橫撐的作用相當于在拱肋上附加了集中質量,但橫撐對剛度卻幾乎沒有貢獻,導致橋梁面內頻率降低。橫撐的結構形式、剛度以及數量對橋梁的動力性能都有比較大的影響,橋梁設計的時候應該綜合考慮以上各方面的影響,選擇最優的橫撐布置。4.3鋼管—拱肋傾角的影響拱肋外傾是本橋的特點之一,拱肋外傾拱橋與提籃拱橋相比,拱肋具有導視的作用,視野比較廣闊,不會像常規橋梁那樣壓抑。但是拱肋外傾后拱肋的受力變得比較復雜。本文分析了鋼管—鋼管混凝土復合拱橋在管徑大小不變的情況下,拱肋在直立和傾斜情況下的自振特性,結果見表4。從表4可以看出,拱肋傾斜后基本振型不變,低階自振頻率減小,但是到高階后開始提高,說明拱肋外傾對結構動力性能有不利影響,隨著傾斜角度的增加表現得越明顯。5結構自振特性分析本文通過對該橋動力特性分析得出以下結論:(1)衡陽湘江特大橋主拱拱肋的第一階振型為對稱橫彎,基頻為0.63515Hz。前11階振型都為橫向振型,說明拱肋外傾導致橋的橫向剛度較弱。(2)通過混凝土填充段長度對自振特性的影響分析得出,鋼管—鋼管混凝土組合橋梁的自振特性優于普通鋼管拱橋和鋼管混凝