异型拱桥自振特性影响因素分析

阳治群

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

异型拱桥自振特性影响因素分析

阳治群

(湖南省交通科学研究院， 湖南 长沙 410015)

结合工程实际建立了拱肋跨径180 m，主梁跨径190 m，矢跨比0.34，平面半径R=600 m的拱肋斜跨主梁的异型拱桥——张家口清水河通泰大桥的有限元模型，分析了矢跨比、主梁中心线与拱肋中心线之间的夹角、宽跨比对自振特性的影响。

异型拱桥； 自振特性； 矢跨比； 夹角； 宽跨比

异型拱桥作为近些年来一种新型桥型，随着拱桥结构分析理论的完善以及施工工艺的突破得到了快速发展，但异型拱桥在美观方面较一般类型拱桥更有优势，但在结构构造和受力方面更为复杂，目前很多问题如在动力学上的相关问题还需解决，所以对异型拱桥的研究显得十分具有价值。

本文结合工程背景，以张家口清水河通泰大桥作为研究对象，分析研究了矢跨比、拱肋中心线与主梁中心线之间的夹角、宽跨比等因素对自振特性的影响。

1 工程背景

张家口清水河通泰大桥全长945 m，其中主桥是主跨为190 m、矢跨比0.345、拱脚间距180 m的钢箱梁、拱肋斜跨主梁的异型拱桥。主桥气势磅礴，宏伟壮观，形状酷似彩虹的拱肋，犹如一条纽带，与周围环境融为一体，相得益彰。 大桥布置见图1、图2。

图1 大桥立面布置(单位： cm)

图2 大桥平面布置(单位： cm)

2 模型建立

张家口清水河通泰大桥上部结构主要包括主梁、拱肋、吊杆；下部结构只是在桥头两端设置桥台；本文通过有限元分析软件MIDAS建立有限元模型，上部结构中主梁、拱肋采用梁单元进行模拟，吊杆采用桁架单元模拟；下部结构中桥台采用梁单元模拟，桩基础采用 “m”建模。见图3。

图3 大桥有限元模型

3 自振特性影响因素分析

3.1 矢跨比的影响

一般钢结构拱桥常用的矢跨比1/5～1/6，极端值为1/2.5。而张家口清水河通泰大桥为异型拱桥，较一般的拱桥具有一定的特殊性且其矢跨比为0.345，已接近极端值，则讨论矢跨比在0.25～0.35之间变化对自振特性的影响。见表1。

表1 矢跨比变化的自振特性值

从表1中可以看出： 矢跨比的变化对异型拱桥的基频影响较大，当矢跨比从0.25变化到0.35，基频逐渐较少，减少9.5%，矢跨比的变化对结构刚度的影响较大，在具体的工程设计中，要充分考虑矢跨比对结构刚度的影响。

3.2 拱肋中心线与主梁中心线之间夹角的影响

张家口清水河通泰大桥拱肋斜跨主梁，其拱肋中心线与主梁中心线的设计夹角α为19.4°。异型拱桥一般通过调整拱肋中心线与主梁中线的夹角来增加桥梁的美观，但考虑异型拱桥的夹角一般较小，所以讨论夹角α在17°～22°之间变化对自振频率的影响。 见表2。

从表2中可以看出：拱肋中心线与主梁中心线之间的夹角变化对异型拱桥的基频影响不大，从17°变化到22°，虽然基频是逐渐减少，但仅仅减少了0.72%，说明拱肋中心线与主梁中心线之间的夹角的变化对结构整体刚度的影响有限。所以在具体的工程设计时，拱肋中心线和主梁中心线之间的夹角以满足美观、构造为主。

表2 夹角变化的自振特性值

3.3 宽跨比的影响

从表3中可以看出：宽跨比的变化对异型拱桥的基频影响不大，随着宽跨比的增大基频逐渐增加，增加的比例较少在5%之内。

表3 宽跨比变化的自振特性值

4 振型特性

无论改变矢跨比，还是改变桥拱肋中心线与主梁中心线之间的夹角、宽跨比，前6阶振型形态都没有发生变化，说明这些因素的变化对结构刚度的改变不起决定性作用，在桥梁使用过程中，这些因素的改变并不会明显改变桥梁的自振形态。见表4。

表4 振型形态

5 结论

1) 在桥梁使用过程中拱肋中心线与主梁中心线之间的夹角、矢跨比、宽跨比的变化对于刚度的影响并不会明显改变桥梁的自振形态。

2) 矢跨比发生变化，频率随着矢跨比的增大而减少，对频率的影响相对较大；拱肋中心线与主梁中心线之间的夹角发生变化，频率随和夹角的增大而减少，对频率的影响因素相对较少；宽跨比发生变化，频率随着宽跨比的增大而增大，但对频率的影响较少。

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