特大型桥的自振特性分析

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摘 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

中图分类号：U448 文献标识码：A 文章编号：1007-3973（2013）001-001-03

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？05Mpa。竖向预应力采用直径32mm的40Si2MnMOV精轧粗钢筋，弹性模量Ey=2.0？05Mpa。

运用shell63号壳单元划分箱梁，用beam188号来模拟桥墩，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，y，z轴的平动和绕x，y，z轴的转动），最后约束桥身端部，约束桥身端部沿x，y轴的平动和绕x，y轴的转动。

2自振特性分析

2.1根据设计值计算的自振特性

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2，4，6，8，10阶振型均为横向弯曲，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。在第一，二，三阶振型里，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

由表1可以看出：改变桥身端部的约束条件对桥梁的自振频率影响非常大。设计值的约束条件是约束两端部x，y方向的平动和转动。现在把两端部施加固定端约束，所得到第一阶到第八阶频率是设计值所得频率的2-3倍，第九阶和第十阶和设计值很接近。在桥身底板中部添加多余预应力筋，在静力方面它对箱梁的刚度贡献要大于对自重的影响，与设计值相比，频率非常接近。所以通过在在桥身中部底板增加多余横向筋对桥梁每阶的频率影响不是很大。

由表2和图3可以看出：在改变桥梁刚度，对桥梁的第二阶自振频率影响不大，对其他自振频率影响较大。特别是对高阶的自振频率影响最大。由表3和图4可得：改变桥墩刚度时，对每阶自振频率都有较大影响（第一，三阶除外）。由图4可得：改变钢筋刚度，对各阶自振频率影响均不大。

在设计桥梁时，可以结合这些变化规律，合理调整各个部位的刚度值，在确保在成桥安全变形位移值的范围内，以及造价等经济因素等综合考虑。从而避开危险频率带，减小对桥梁结构的破坏性。

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