飞雁式钢管双层桥面飞雁式钢管钢管混凝土复合拱桥动力分析

飞雁式钢管双层桥面飞雁式钢管钢管混凝土复合拱桥动力分析

1钢管混凝土系新型桥梁双臂混凝土格构拱桥可以减小桥面宽度，降低成本，但张力复杂，施工期间已进行多次翻新。钢管—钢管混凝土复合拱桥是在钢管混凝土拱桥基础上发展起来的一种新型桥梁。其拱肋在拱脚一定范围内采用钢管混凝土,其余部分为空钢管段,因此重心降低、自重减轻,拱肋横向受力性能得到提高。双层桥面钢管—钢管混凝土复合拱桥结合双层桥面桥梁和钢管—钢管混凝土复合拱桥的特点,具有一定的优越性,是钢管混凝土拱桥向多元化、轻型化发展的产物,对这种复杂桥梁结构的动力分析具有一定的现实意义。2钢管混凝土拱肋的设计衡阳衡酃路湘江特大桥主桥跨径布置为60m+60m+184m+60m+60m,是钢管桁梁飞雁式系杆拱桥(如图1),结构全长425.5m,两端梁缝中距425.7m。中拱为中承式无铰双肋形式,上层桥面以上拱肋采用全桁架式,以下部分至拱脚段拱肋采用双哑铃型实腹式。拱肋为变截面,拱轴线采用悬链线形式,拱轴系数m=2.48。计算跨度178m,矢高36m,矢跨比1/4.944,拱肋外倾7度。拱肋在拱脚一定长度内灌注C50混凝土,其余部分为空钢管段。边拱拱肋为2根单管形成桁架形式,拱肋上下杆通过腹杆或腹板形成桁架形式,上弦杆与上层桥面以上采用桁架式钢管混凝土拱肋,以下采用哑铃型实腹式拱肋,拱轴线采用三次抛物线。计算跨径42m,矢高6.753m,矢跨比1/12.439,拱肋外倾5度。拱肋在拱脚10.90m长度内灌注C50混凝土,其余部分为空钢管段。边跨钢管桁架采用不平行弦杆有竖杆三角桁架,弦杆是边跨拱肋弦杆的延伸。中拱拱肋共设置5道肋间横撑,拱顶处设置一道米字撑,其余为K撑,各横撑之间纵向水平投影间距20～30m。吊杆采用纵向双吊杆体系,设38对共76根吊杆,中心距为7～8.0m,吊杆倾角与中拱倾角一致,同为外倾7度。系杆设置在上层桥面,锚固在边跨钢管桁梁辅助墩以外的大节点处。中拱范围内桥面系采用悬吊纵横梁体系,以吊杆悬吊于拱肋下弦或上弦,横梁纵向中心间距7～8m。上下两层桥面的纵横梁均采用焊接H形截面。边跨及边拱范围内桥面系上层横梁除系杆锚固横梁采用焊接箱形截面外,其余横梁均为焊接H形截面,下层横梁及上下层纵梁采用焊接H形截面。三角区桥面系主结构由横梁、纵梁和立柱组成。3桥面有限元模型湘江特大桥的主要构件包括:作为主拱圈的桁式钢管-钢管混凝土构件,连接拱肋的横撑,连接拱肋和上下桥面并传递荷载的吊杆、立柱,作为桥面系组成部分的钢横梁、钢纵梁以及桥面系。本文采用大型通用有限元软件ANSYS对该桥建模,有限元模型如图2所示。全桥节点2750个,单元4456个。桥面系用等效荷载加载,其他构件的模拟情况如下:3.1钢结构平面内连接方式采用空间梁单元BEAM44模拟桁架拱肋,考虑到拱圈受剪力较小,腹管长度小,因而受剪力的影响较小,所以采用的空间梁单元不考虑剪力。拱脚填充混凝土的实腹段采用BEAM44分别建立空钢管与混凝土单元,通过共用节点实现两者的连接。腹管与桁片相交于桁片节点,即忽略实际结构中腹管与钢管外表焊接与简化模型中交于一点的差异。加劲肋用壳单元SHELL63模拟。3.2吊杆单元模型横撑为空腹钢管桁架,采用空间梁单元BEAM44模拟。梁单元的各节点坐标和实际构件的设计轴线位置相符,横撑各钢管相互交接点均为理想的轴线交点,即不考虑实际钢管相互焊接的构造细节。实际吊杆为钢铰线吊杆,考虑到桥面系有相当大的重量,吊杆始终处于受拉状态,因此采用空间杆单元LINK10模拟吊杆,杆单元只传递轴力,上下端分别与拱圈桁片和桥面横梁相连接。系梁采用空间杆单元LINK10来模拟。横梁、纵梁、立柱以及桩采用空间梁单元BEAM44模拟。3.3单元模拟桩土相互作用主桥桩土边界条件采用COMBIN14单元模拟桩土相互作用。边跨通过支座支撑在桥墩或桥台上,整座桥两边设有伸缩缝,伸缩缝采用COMBIN14单元模拟。4结构动力特性根据有限元模型,对结构的自振特性求解得出前12阶自振频率见表1,各阶振型见图3～14。由分析结果可以看出,主拱拱肋的第一阶振型为对称横弯,基频为0.63515Hz。前11阶振型均为面外横弯,面内竖弯在第12阶才出现,说明结构面外刚度较面内刚度小得多,需注意面外失稳问题。边跨振型比主跨振型出现更迟。振型主要表现为桥面系与拱肋的横弯。为分析结构的动力特性影响因素,在原模型的基础上作一定的修改,对细节问题如参数取值的影响做一定的讨论。主要考虑因素如下:4.1钢管混凝土复合桥墩面外基频及其比钢管—钢管混凝土复合拱桥由于自重较小、重心较低,对提高拱肋的横向稳定性和减小横向地震作用力有积极的作用,同时也避开了拱顶段管内混凝土不密实的问题。拱肋钢管截面均取设计图拱截面,在其它因素不变的情况下,分析比较拱脚段钢管混凝土拱肋长度对其自振特性的影响。其自振特性计算结果见表2。从表2可以看出,拱肋混凝土填充量对桥面结构的影响很小。当拱肋内填充混凝土到52.18m处时,面内基频和面外基频都最大,之后,随着混凝土填充长度的增加,面内基频和面外基频减小。这主要是由于随着拱脚段钢管混凝土长度的增加,拱肋的重心有所提高,因而拱肋面外稳定问题比较突出。从钢管拱桥到钢管—钢管混凝土复合拱桥,面外基频与面内基频之比降低不大,从钢管—钢管混凝土复合拱桥到钢管混凝土拱桥,面外基频与面内基频之比降低较大,由此可见,在钢管—钢管混凝土复合拱桥中的拱脚段混凝土的长度,对其动力性能有一定的影响,尤其是从拱脚段混凝土长度为L/4到钢管混凝土拱桥阶段。这是因为,此时拱肋重心提高相对于拱肋从钢管拱桥到钢管—钢管复合拱桥这一过程更明显。所以,如果拱肋能满足面内承载力的强度的要求下,不必过分增加拱脚段混凝土的长度。这也充分说明,钢管—钢管混凝土复合拱桥这一新型桥梁具有一定的合理性。4.2横撑对自振特性的影响横撑布置对桥跨结构竖向静力受力影响不大,而对稳定性和动力特性有较大的影响。布置横撑对提高侧向即面外自振频率值和稳定性有很重要的作用,桥面上横撑对桥梁的美观性和桥上的视觉效果有一定影响。湘江特大桥为保证结构横向稳定性能,中拱拱肋共设置5道肋间横撑。为了分析横撑对结构自振特性的影响,在原模型的基础上分别去除部分横撑,进行自振特性的计算,结果见表3。从表3可以看出,横撑的增加,拱桥的面外刚度基频增大比较明显,面外的稳定性得以改善,但对面内基频而言却改善不明显,甚至会有所减少,这是因为横撑的作用相当于在拱肋上附加了集中质量,但横撑对刚度却几乎没有贡献,导致桥梁面内频率降低。横撑的结构形式、刚度以及数量对桥梁的动力性能都有比较大的影响,桥梁设计的时候应该综合考虑以上各方面的影响,选择最优的横撑布置。4.3钢管—拱肋倾角的影响拱肋外倾是本桥的特点之一,拱肋外倾拱桥与提篮拱桥相比,拱肋具有导视的作用,视野比较广阔,不会像常规桥梁那样压抑。但是拱肋外倾后拱肋的受力变得比较复杂。本文分析了钢管—钢管混凝土复合拱桥在管径大小不变的情况下,拱肋在直立和倾斜情况下的自振特性,结果见表4。从表4可以看出,拱肋倾斜后基本振型不变,低阶自振频率减小,但是到高阶后开始提高,说明拱肋外倾对结构动力性能有不利影响,随着倾斜角度的增加表现得越明显。5结构自振特性分析本文通过对该桥动力特性分析得出以下结论:(1)衡阳湘江特大桥主拱拱肋的第一阶振型为对称横弯,基频为0.63515Hz。前11阶振型都为横向振型,说明拱肋外倾导致桥的横向刚度较弱。(2)通过混凝土填充段长度对自振特性的影响分析得出,钢管—钢管混凝土组合桥梁的自振特性优于普通钢管拱桥和钢管混凝