工程技术
与产业经济
特大型桥的自振特性分析
□ 张 瑜 刘 菲
610031) (西南交通大学力学与工程学院 摘 四川・成都
要： 以在建特大型桥 （132+230+132m） 为工程背景， 首先对桥梁的粱体和墩部进行了合理的简化， 应用有限
元软件 ANSYS， 采用壳单元模拟桥身， 二维梁单元模拟桥墩， 杆单元模拟预应力筋的方法建模， 建立分析模型。 其次计算其自振特性， 得到桥梁的振动频率和主振型， 分析桥梁参数的改变对其自振特性产生的影响。从而提 出， 在特大型桥的结构设计中可以通过优化模态参数， 避开危险频率带， 减小对桥梁结构的破坏性。 关键词： 特大型 有限元 自振特性 参数 文章编号： 1007-3973 2013） （ 001-001-03 运用 shell63 号壳单元划分箱梁， beam188 号来模拟桥 用 墩， link10 号来模拟预应力筋。 对每个桥墩都施加固定端约束 （即约束沿 x， z 轴的平动和绕 x， z 轴的转动） 最后约束桥 y， y， ， 身端部， 约束桥身端部沿 x， 轴的平动和绕 x， 轴的转动。 y y 2 自振特性分析 2.1 根据设计值计算的自振特性 表 1 设计值自振特性及振型分析
表 3 改变桥身刚度时大桥前十阶模态
阶数 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
改变桥身端部为固定端约束
在双墩中部底板添加横向预应力筋
0.15004 0.30558 0.46056 0.48175 0.67089 0.75904 1.0771 1.1192 1.1862 1.2312
0.061281 0.15896 阶数 0.26586 0.40714 0.48120 0.53965 4 0.74443 5 0.87162 6 1.1135 7 1.2047 8 9 10 1 2 3
表 5 改变钢筋刚度时大桥前十阶模态
频率 （Hz） 钢筋刚度减小一半 0.054296 0.15385 0.23442 0.40220 0.48224 0.51755 0.72925 0.84966 1.0993 1.1949 钢筋刚度增加一倍 0.073264 0.17301 0.33302 0.41670 0.48038 0.59678 0.81397 0.93172 1.1475 1.2293
振型序号 自振频率 （hz） 振形特征 高墩一侧的桥身沿 x 正方向横向 移动 低墩一侧的桥身沿 x 正方向横向 移动 全桥三阶对称横弯
中图分类号： U448
文献标识码： A
特大型桥一般往往处于交通运输的枢纽， 具有刚度大， 变 形小， 经济成本低等优点， 在我国城市和公路桥梁中分布极为 广泛。随着理论研究和施工技术的发展，正在向多跨的的方 向发展。近年来这种特大型桥在我国的不断发展和应用。桥 梁结构的动力问题包括桥梁结构的自由振动和桥梁结构的动 力响应这两个方面， 国内外的学者对这些方面都进行了研究。 大跨度桥梁在移动车辆荷载作用下的结构振动研究也成了普 通关注的问题。在所有桥梁结构振动分析中，必须首先确定 结构的固有频率这个结构动力特性，它是研究桥梁动力学的 基础。所以研究桥梁的自振特性具有较大的工程应用价值。 1 模型概要 1.1 连续梁模型 桥跨为 132m+230m+132m 的单箱单室变高度连续箱梁， 左墩高 54.5m， 右墩高 109.644m， 见图 1， 整体采用 C55 混凝 土， 桥墩墩身采用 C40 混凝土， 弹性模量 E=3.25e10Pa， 密度 =2600kg/m3，泊松比 =0.3。纵向及横向预应力采用预应力混 凝土用纲线 （GB/T5224-1995） 弹性模量 Ey=1.95×105Mpa。 ， 竖 向预应力采用直径 32mm 的 40Si2MnMOV 精轧粗钢筋， 弹性 模量 Ey=2.0×105Mpa。
频率 （Hz）
0.041003 0.12126
0.26824
0.084987 0.20825
0.27448
4 5 6 7 8 9 10
0.28635 0.32187 0.51294 0.67844 0.76560 0.88189 0.89848
0.49418 0.64524 0.67436 0.83157 0.92996 1.3133 1.3324
1
0.062483
2
0.16009
3
0.27143
4
0.40870
全桥三阶反对称横弯
5
0.48174
高墩大幅度一阶横弯
6
0.54428
全桥四阶反对称横弯
7
0.75898
全桥三阶对称竖弯
8
0.87966
全桥五阶对称横弯
9
1.1191
全桥四阶反对称竖弯
10
1.2091
全桥五阶反对称横弯， 主梁扭转
由表 1 分析可得： 由于桥位很高， 纵桥向保持一定的柔性 对桥梁是有好处的， 一般来说， 纵桥向刚度在满足桥梁施工、 运 图 1 连续梁计算模型 行稳定性要求的前提下要尽量小； 相反大跨度高墩连续刚构桥
—— 科协论坛 ・ 2013 年第 01 期 （下） ——

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表 4 改变桥墩刚度时大桥前十阶模态
频 率 （Hz） 阶数 1 2
3
桥墩刚度减小一半 桥墩刚度增加一倍
在横桥向的约束很弱， 桥梁在横向不平衡荷载或是风载作用下， 易产生扭曲、 变位， 为了增大其横向稳定性， 桥梁的横向刚度应 该大一些。从计算的结果来看。振型的 2， 6， 10 阶振型均 4， 8， 为横向弯曲， 为了提高桥梁的侧倾稳定性和旅客的舒适度， 必须 控制其横向刚度， 本桥横桥向基频计算值 f=0.27143Hz， 满足桥 梁检测刚度大于 90/l=0.182 Hz 的条件， 所以原模型简化是合理 的。 其横向自振周期为 3.68s， 满足大跨梁桥横向自振周期限 制的规定。由于该桥采用双肢墩， 桥墩很高， 所以， 第五阶振 型主要是高墩的横向弯曲。在第一， 三阶振型里， 二， 高墩和 矮墩都只是产生横向移动， 不出现弯曲。从第四阶振型起， 高 墩产生横向弯曲。矮墩是到了第十阶才开始产生横向弯曲。 2.2 改变参数后的自振特性分析 表 2 改变参数后的前十阶模态