大跨连续刚构桥最大悬臂状态动力特性分析

赵海霞　（南京航空航天大学金城学院，江苏　南京　211156）

大跨连续刚构桥最大悬臂状态动力特性分析

赵海霞（南京航空航天大学金城学院，江苏南京211156）

大跨连续刚构桥最大悬臂施工阶段对风荷载较为敏感，而动力特性是抗风分析的基础。以十堰市将军河汉江大桥为工程背景，利用ANSYS软件建立了最大悬臂状态的有限元模型，采用Lanczos方法求得自振频率和振型。计算结果表明，前两阶自振频率远低于高阶频率，第一阶振型为主梁绕墩梁结合处的横向水平摆动，第二阶振型为桥墩侧弯及主梁纵向摆动。文章建模分析方法和研究结论可为同类桥梁提供参考。

连续刚构桥；最大悬臂状态；动力特性；有限元模型；频率；振型

1　概述

20世纪60年代，随着预应力技术的快速发展和悬臂施工技术的引进，一种集连续梁桥大跨径和T构桥无支座特点的连续—刚构体系应运而生。连续刚构桥因能省去大吨位支座购置和维护费用、抗震性能好、桥面连续行车舒适度好以及无需体系转换便于悬臂施工等优点，是一种比较适合大跨度设计的桥型。20世纪60年代至今，世界各国建设了多座连续刚构体系桥，其中以1985年澳大利亚建成的主跨为260m的门道桥和挪威1998年底建成的主跨为298m的Raft Sundet桥最为著名。

我国从1988年开始从国外引进连续刚构桥建造技术，到1990年建成国内第一座主跨为180m的连续刚构桥——广州洛溪大桥［1］。从1995年以来，我国已建成黄石长江大桥、虎门大桥航道桥、江津长江大桥、重新高家花园长江大桥、四川泸州长江大桥、广东南澳跨海大桥、四川马鞍石嘉陵江大桥、苏通大桥辅航道桥、重庆石板坡大桥复线桥等多座主跨超过200m的连续刚构桥。其中1997年建成的主跨为270m的虎门大桥航道桥，是当时我国主跨最大的连续刚构桥，其跨径为150m+270m+150m，该桥在预应力束布置上，彻底取消了弯起束和连续束，仅在边跨梁端有少量弯起。虎门大桥的建成标志着我国在连续刚构桥的设计施工处于世界领先水平。主跨330m的重庆石板坡大桥复线桥是目前世界上最大跨度的连续刚构桥。

大跨高墩连续刚构桥在我国目前主要分布在沿江沿海和山区峡谷地段，沿海沿江地区地形平坦开阔，基本风压值大，特别是沿海地区还会受到台风的侵袭；而在山区峡谷地区，由于山口的“狭管效应”和“放大效应”，即使平坦地区的风速很小，山口峡谷区的风速也很大。大跨连续刚构桥在成桥阶段刚度较大，具有较强的抗风能力，而在最大悬臂施工阶段，由于其高墩和长悬臂的高轻柔特性，对风荷载十分敏感［2-5］，故必须对其进行抗风分析，确保施工安全。

有限元模型是对桥梁结构进行抗风分析的基础，而结构的动力特性，包括自振频率和振型，则是表征结构质量与刚度及其分布的指标，同时也对结构动力响应的数值分析有重要的参考意义。本文以十堰市将军河汉江大桥为工程背景，基于大型有限元通用软件ANSYS，根据的结构特点选择适当的单元类型，建立了最大双悬臂状态的有限元模型；并进行了动力特性分析，获得了大桥最大双悬臂状态的自振频率和振型，并对动力特性进行了总体评价。本文的总结为十堰市将军河汉江大桥的静风响应分析和风致抖振响应分析奠定了基础，可为同类桥梁提供参考。

2　工程概况

十堰市将军河汉江大桥地处湖北省西北部，跨越汉江，是进入湖北境内汉江上的第一座桥梁，被誉为“楚天汉江第一桥”。该桥为预应力混凝土连续刚构桥，桥跨布置61m+110m+110m+61m（如图1所示）。

图1　十堰市将军河汉江大桥桥型布置图

桥梁上部结构采用变截面连续箱梁，截面为单箱单室，箱梁顶板宽12m，底板宽6m，翼缘悬臂长3m。箱梁支点处梁高为6m，跨中和边跨现浇段梁高为2.6m，其间梁底下缘按R=388.80m圆曲线变化。箱梁根部顶板厚度为28cm，箱梁根部底板厚度为70cm，跨中为25cm，其间分段按圆曲线变化，腹板厚度为35cm～60cm。每桥墩墩顶箱梁设横隔板2道，边墩设横隔板1道。

主墩为钢筋混凝土双薄壁墩，墩高22.7m～29m，承台厚3.0m，桥墩基础为4Φ2.0m钻孔灌注桩，桩长18m。0号桥台为明挖扩大基础接盖梁形式；4号桥台为肋板式桥台，肋板厚1.2m，基础为4Φ1.5m钻孔灌注桩，桩长25m。

十堰市将军河汉江大桥所在区域两山夹一江，为典型的峡谷地貌。由于桥址处峡谷的峡管效应，风速剖面分布较为复杂，桥面设计基准风速较高，达到29.4m/s。

3　有限元模型建立

对十堰市将军河汉江大桥的力学分析是以建立在大型通用有限元软件ANSYS平台上的有限元模型为对象的。模型的建造以设计图纸为依据，最大程度地模拟实际状况，从而保证良好的仿真效果。该桥T构（图2）有限元模型用以分析2号墩最大悬臂施工阶段的力学特性。

图2　最大悬臂施工阶段有限元模型

具体而言，模型中的变截面箱梁、桥墩、承台和桩基采用自定义截面的空间梁单元BEAM188建造。主梁、桥墩、承台和桩基采用的材料均分别为C50、C40、C30和C25混凝土，弹性模量分别为3.5×104MPa、3.3×104MPa、3.0×104MPa和2.85×104MPa，泊松比皆取0.167。模型用LINK10模拟土弹簧，以计入桩周土层对桩基的作用。边界条件是：桩底节点和土弹簧外节点固结。统计结果显示，该模型共有单元236个，节点243个，单元划分粗细得当，满足分析要求。

4　动力特性分析

结构的动力特性主要指固有频率、振型和阻尼等，是结构本身固有的。它们取决于结构的组成体系、刚度分布、质量分布以及支承条件等。采用Lanczos方法分别对该桥最大悬臂状态的特征方程进行求解，求解时施行Sturm序列检验，无模态丢失现象。计算获得该桥最大悬臂状态的自振频率和振型分别见表1和图3。

施工最大悬臂阶段自振频率和振型特征　表1

从以上最大双悬臂施工阶段前十阶振型的结果可以看出：

①在最大双悬臂阶段，由于柔性主墩的扭转刚度和桥墩的侧弯刚度相对较小，加上该阶段主梁绕墩梁结合处可以形成较大的转动惯量，因此第一和第二阶振型分别为主梁绕墩梁结合处的横向左右摆动和桥墩侧弯，主梁纵向摆动。

②在最大双悬臂阶段，前两阶自振频率分别为0.26280Hz和 0.33105Hz，而第三阶自振频率为0.72208Hz，说明前两阶占有较大的优势。该阶段第一阶振型为主梁前后摆动，说明在此阶段对横桥向风比较敏感，抗风计算中应加以注意。

图3　最大悬臂状态前十阶振型图

5　结语

本文结合连续刚构桥建模方面的要求及十堰市将军河汉江大桥的具体结构特点，采用合适的单元类型，建立了十堰市将军河汉江大桥最大双悬臂阶段的ANSYS有限元模型；并对大桥最大双悬臂阶段进行了动力特性分析。在此基础上，对大桥最大双悬臂阶段的自振频率和振型特点进行了评价，为大桥的抗风分析提供重要的信息和必要的研究基础。

［1］马保林.高墩大跨连续刚构桥［M］.北京：人民交通出版社，2001.

［2］陈艾荣，项海帆.悬臂施工中的刚构桥梁的风荷载计算方法［J］.公路，1998（3）：7-10.

［3］刘健新，李加武.中国西部地区桥梁风工程研究［J］.建筑科学与工程学报，2005（4）：32-39.

［4］李开言.双肢薄壁高墩刚构桥悬臂施工稳定性与风效应研究［D］.长沙：中南大学，2005.

［5］司学通，郭文华.高墩大跨连续刚构桥最大悬臂阶段风致响应及其对施工人员的影响［J］.铁道科学与工程学报，2007（4）：17-22.

U448.23

A

1007-7359（2016）04-0172-03

10.16330/j.cnki.1007-7359.2016.04.068

赵海霞（1981-），女，毕业于西安建筑科技大学，硕士；讲师，南京航空航天大学金城学院土木工程教研室。