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      肇慶西江特大橋動(dòng)力特性分析*

      2011-08-08 06:17:46翟建平
      關(guān)鍵詞:鋼箱西江肇慶

      翟建平

      (南廣鐵路有限責(zé)任公司,廣西 南寧 530022)

      鋼箱提籃拱橋作為一種新型橋梁結(jié)構(gòu)形式,在我國(guó)的應(yīng)用僅有不到10年的歷史,隨著鋼箱拱橋跨度的不斷增大,其橫向穩(wěn)定問(wèn)題愈加突出,設(shè)計(jì)中通常采取拱肋內(nèi)傾來(lái)提高其橫向穩(wěn)定性。拱肋內(nèi)傾可以在不設(shè)置額外橫向聯(lián)系的情況下增強(qiáng)其橫向穩(wěn)定性,并且造型美觀,具有很強(qiáng)的觀賞價(jià)值。目前對(duì)鋼箱提籃拱橋的動(dòng)力性能研究雖然較多,但主要是針對(duì)公路橋[1],而對(duì)于鐵路鋼箱提籃拱橋的動(dòng)力研究則相對(duì)較少[2]。由于鐵路列車荷載大、運(yùn)行速度高、且橋面較窄,因此對(duì)高速鐵路大跨度鋼箱提籃拱橋進(jìn)行動(dòng)力性能分析,顯得尤為重要。

      1 工程概況

      新建南寧至廣州鐵路為設(shè)計(jì)速度200 km/h、預(yù)留250 km/h條件的客貨共線鐵路,線路在肇慶市附近跨越西江,設(shè)肇慶西江特大橋。肇慶西江特大橋?yàn)橹骺?50 m的中承式鋼箱提籃拱橋,是高速鐵路上在建的一座特大橋,也是目前國(guó)內(nèi)最大跨度的鐵路鋼箱提籃拱橋。該橋矢跨比為1/4,拱軸系數(shù)m=1.8,拱肋內(nèi)傾角為 4.8°,橋面距拱頂 71.7 m,拱腳處拱肋橫向中心距為34.0 m,拱頂處為15.17 m。拱肋為鋼箱結(jié)構(gòu),橋面系采用鋼縱橫梁與鋼筋混凝土橋面板的結(jié)合梁體系。西江特大橋全橋布置圖如圖1所示。

      根據(jù)鋼箱拱橋的受力特點(diǎn),全橋共設(shè)置4個(gè)拱座。單個(gè)拱座橫橋向?qū)?2 m,高23.4 m,長(zhǎng)26.597 m。拱肋為變截面鋼箱結(jié)構(gòu)。全橋共設(shè)置18組橫撐,橋面系以上12組,為一字形橫撐;橋面系以下6組,為K形橫撐。橋面系由鋼橫梁、鋼主縱梁、鋼次縱梁以及鋼筋混凝土橋面板組成。橋面板構(gòu)造為20 cm厚C50鋼筋混凝土預(yù)制板+20 cm厚C50鋼筋混凝土后澆層,各預(yù)制板段間設(shè)橫向、縱向C50補(bǔ)償收縮鋼纖維混凝土接縫,為半漂浮式橋面結(jié)構(gòu)體系[2]。

      圖1 肇慶西江特大橋總體布置圖Fig.1 Layout of Zhaoqing Xijiang bridge

      2 有限元?jiǎng)恿δP偷慕?/h2>

      根據(jù)肇慶西江特大橋設(shè)計(jì)圖紙中構(gòu)件的詳細(xì)尺寸,利用大型通用有限元軟件ANSYS建立西江特大橋的空間計(jì)算模型[3]。此外,鑒于本橋結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,為真實(shí)反應(yīng)大橋的實(shí)際空間受力性能,采用自定義截面的方式建立空間板、梁?jiǎn)卧P停沧远x截面54個(gè)。其中,變截面鋼箱拱肋采用BEAM44單元模擬;主次縱梁、橫梁、橫撐以及橋墩蓋梁采用兩節(jié)點(diǎn)三維彈性梁?jiǎn)卧狟EAM4模擬;吊桿采用三維彈性桿單元LINK10模擬;橋面系主要由橋面縱梁、次梁、橫梁、橋面板和橋面鋪裝層構(gòu)成,為活載分布構(gòu)件,采用可考慮幾何大變形的彈性殼單元SHELL63模擬,橋梁的二期橫載折算為橋面板的密度,即通過(guò)增加橋面板的密度來(lái)模擬橋梁的二期橫載。表1給出了肇慶西江特大橋主要構(gòu)件截面特性,表2給出了大橋的基本材料參數(shù)。

      邊界條件處理為:拱肋在與橋面系相交處設(shè)橫梁,橫梁與橋面系主縱梁通過(guò)支座連接,拱肋與拱座固結(jié),吊桿與主縱梁進(jìn)行連接。邊跨墩頂縱橋向平動(dòng)及轉(zhuǎn)動(dòng)自由度相對(duì)自由,其它自由度主從,邊墩底及拱腳固結(jié)。

      為分析內(nèi)傾角對(duì)大跨度鋼箱提籃拱橋自振特性的影響,本文取肇慶西江特大橋的拱肋內(nèi)傾角分別取為3°,4.8°和 6°,重新利用 ANSYS 建立三維有限元模型并進(jìn)行自振特性分析比較。前后2種情況分別稱為平行拱方案及提籃拱方案,2種方案僅拱肋內(nèi)傾角不同,其余材料、截面特征以及邊界條件等均不變。全橋共劃分為1496個(gè)節(jié)點(diǎn)、1356個(gè)單元。

      有限元計(jì)算模型的總體坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閄軸,以豎橋向?yàn)閅軸,以橫橋向?yàn)閆軸,成橋狀態(tài)的有限元計(jì)算模型如圖2所示,為了對(duì)比,同時(shí)列出平行拱模型(0°內(nèi)傾角),見(jiàn)圖3。

      圖2 肇慶西江特大橋有限元模型Fig.2 Finite element model of Zhaoqing Xijiang bridge

      圖3 西江特大橋平行拱方案(0°內(nèi)傾角)有限元模型Fig.3 Finite element model of Zhaoqing Xijiang bridge with parallel arch

      3 動(dòng)力特性分析

      利用大型有限元軟件ANSYS,分別對(duì)上述2種方案,即平行拱方案(0°內(nèi)傾角)以及提籃拱方案(內(nèi)傾角分別為 3°,4.8°,6°)進(jìn)行動(dòng)力特性分析。為提高結(jié)構(gòu)自振頻率及振型的精度,采用分塊蘭卡斯法(Block-Lanczos Method),計(jì)算大橋前150階振型,并探討內(nèi)傾角的不同取值對(duì)大跨度鋼箱拱橋動(dòng)力特性的影響[5-6]。限于篇幅,本文僅給出結(jié)構(gòu)的前5階自振頻率及振型特征描述,見(jiàn)表3,其典型模態(tài)如圖4所示。為便于比較內(nèi)傾角對(duì)大跨度鋼箱提籃拱橋自振特性的影響,將肇慶西江特大橋拱肋內(nèi)傾角分別為 0°,3°,4.8°和 6°時(shí)的前 10 階振型所對(duì)應(yīng)的頻率值繪制于圖5。同時(shí),為分析拱肋內(nèi)傾角對(duì)面內(nèi)、面外基頻變化率的影響,以肇慶西江特大橋拱肋內(nèi)傾角分別為0°時(shí)為參考基準(zhǔn),分別計(jì)算拱肋內(nèi)傾角為3°、4.8°及 6°時(shí)面內(nèi)、面外基頻相對(duì)于0°時(shí)的變化率,見(jiàn)圖6~圖7。由上述圖表分析可知,內(nèi)傾角對(duì)拱橋自振特性的影響主要體現(xiàn)為:

      (1)對(duì)于拱肋內(nèi)傾角分別取 0°,3°,4.8°和 6°時(shí)的情況,大橋前3階振型序列無(wú)變化,隨著拱肋內(nèi)傾角的增大,拱肋面內(nèi)豎彎振型提前,面外側(cè)彎振型相對(duì)滯后。

      (2)主拱肋的空間扭轉(zhuǎn)剛度因拱肋內(nèi)傾而增大,且增大的趨勢(shì)比較顯著,這是由于主拱扭轉(zhuǎn)主要是由兩拱肋獨(dú)立的豎向位移產(chǎn)生的,提籃拱的橫撐長(zhǎng)度較平行拱小,對(duì)拱肋的約束比平行拱大[7]。

      (3)由圖6~圖7可知,拱肋內(nèi)傾角對(duì)大跨度鋼箱提籃拱橋自振頻率的影響隨振型的不同而不同,拱肋內(nèi)傾角對(duì)大跨度鋼箱提籃拱橋面外振動(dòng)影響較大[8],而對(duì)拱橋面內(nèi)振動(dòng)影響較小;并且隨著拱肋內(nèi)傾角的增大,拱肋內(nèi)傾角對(duì)大跨度鋼箱提籃拱橋面外振動(dòng)影響也越大,以面外基頻為例,相對(duì)于0°拱肋

      表1 肇慶西江特大橋主要構(gòu)件截面特性Table 1 Section properties of main members of Zhaoqing Xijiang bridge

      表2 肇慶西江特大橋基本材料參數(shù)Table 2 Main material parameters of Zhaoqing Xijiang bridge

      表3 肇慶西江特大橋前5階自振頻率及振型特征Table 2 Comparison of the first 5 natural frequencies and mode shapes of Zhaoqing Xijiang bridge

      內(nèi)傾角,當(dāng)拱肋內(nèi)傾角分別為3°,4.8°和6°時(shí),面外基頻分別增大16.8%,29.0%和36.0%。這也說(shuō)明了拱肋內(nèi)傾大大提高了大跨度鋼箱提籃拱橋的面外剛度,從而增加了面外穩(wěn)定性。

      圖4 計(jì)算的肇慶西江特大橋前幾階模態(tài)Fig.4 Calculated mode shapes of Zhaoqing Xijiang bridge

      圖5 內(nèi)傾角對(duì)肇慶西江特大橋自振頻率的影響Fig.5 Influence of inside oblique angle to natural frequencies

      圖6 內(nèi)傾角對(duì)面外基頻變化率的影響Fig.6 Influence of inside oblique angle to the changing rate of out-plane natural first frequency

      圖7 內(nèi)傾角對(duì)面內(nèi)基頻變化率的影響Fig.7 Influence of inside oblique angle to the changing rate of in-plane natural first frequency

      (4)隨著內(nèi)傾角的增大,面外與面內(nèi)基頻之比逐漸增大并趨于1.0,說(shuō)明就結(jié)構(gòu)的固有特性而言,通過(guò)拱肋內(nèi)傾可使結(jié)構(gòu)面內(nèi)外剛度分配趨于均勻。

      4 結(jié)論

      (1)通過(guò)對(duì)肇慶西江特大橋的動(dòng)力分析可知,拱肋內(nèi)傾角對(duì)大跨度鋼箱提籃拱橋自振特性的影響較大,將平行雙肋拱內(nèi)傾得到提籃拱,能夠大大提高結(jié)構(gòu)的剛度,并可以較好地改善結(jié)構(gòu)的受力特性。

      (2)拱肋內(nèi)傾角的增加也會(huì)直接影響到下部結(jié)構(gòu)的工程量,給施工帶來(lái)困難,并會(huì)降低拱肋的面內(nèi)極限承載力。因此,在對(duì)大跨度鋼箱提籃拱橋進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),提籃拱的內(nèi)傾角并非越大越好,應(yīng)通過(guò)反復(fù)計(jì)算和對(duì)比,從而得到合理的拱肋內(nèi)傾角度值。

      [1]章關(guān)永,劉進(jìn)明.上海盧浦大橋動(dòng)力特性測(cè)試研究[J].振動(dòng)與沖擊,2008,27(9):167 -170.ZHANG Guan-yong,LIU Jin-ming.Measurement of Lupu Arch Bridge Vibration Characteristics[J].Journal of Vibration and Shock,2008,27(9):167 -170.

      [2]戶東陽(yáng).高速鐵路大跨度鋼箱提籃拱橋動(dòng)力特性及地震響應(yīng)分析[D].長(zhǎng)沙:中南大學(xué),2011.HU Dong-yang.Dynamic characteristics and seismic response analysis of large-span steel-box handle basket arch bridges on high-speed railway[D].Changsha:Central South University,2011.

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