大跨度三塔自锚式结合梁悬索桥动力特性参数分析研究

Parametric analysis of the dynamic characteristics of a long-span three-tower self-anchored suspension bridge with a composite girder

大跨度三塔自锚式结合梁悬索桥动力特性参数分析研究

Shao Feifei (邵非非), Chen Zhijun  (陈志军), Ge Hanbin* (葛汉彬)

自锚式悬索桥具有独特的结构形式和较好的地形适应性，在越来越多的工程实践中被采用。自锚式悬索桥在结构体系、施工过程和力学特性等诸多方面，与一般地锚式悬索桥有较大差异。当前，多数自锚式悬索桥为独塔或双塔体系，三塔体系自锚式悬索桥较少见。由于中塔缺乏有效的纵向约束，三塔体系在结构性能上与传统双塔体系有显著差异。已建的三塔自锚式悬索桥数量较少，且主跨较短（168~218米），对于400米级大跨三塔自锚式悬索桥鲜有报道。结构设计关键参数如加劲梁刚度、桥塔刚度、主缆与吊杆刚度、中央扣与纵向约束系统对大跨度三塔自锚式悬索桥动力特性的影响需进一步明确。本文以在建的济南凤凰黄河大桥主桥为例，利用有限元软件ANSYS，对结构关键设计参数对大跨度三塔自锚式悬索桥的动力特性进行了参数分析研究，结论为类似工程提供了参考。

在建的济南凤凰黄河大桥采用三塔自锚式结构体系，跨径布置为70m+168m+428m+428m+168m+70m，总长1332m，如图1所示。加劲梁采用结合梁，梁高4m、宽61.7m，如图2所示。桥塔采用“A”字造型，桥塔材料为Q420qE钢材，桥塔基础为C60混凝土。在通用结构分析软件ANSYS中建立了大桥的有限元模型，其中加劲梁、主塔、桩基础采用BEAM4单元模拟，主缆与吊杆采用LINK10单元模拟，结构恒载采用MASS21单元进行模拟。有限元模型如图3所示。

图1 大桥跨径布置示意图

图2 加劲梁结构示意图

图3 大桥有限元模型示意图

通过改变加劲梁竖向、轴向与扭转的刚度参数，分析并比较了大桥动力特性的变化，结果如图4所示。

图4 （a）竖向刚度对动力特性的影响；（b）扭转刚度对动力特性的影响；（c）轴向刚度对动力特性的影响

2）桥塔刚度对动力特性的影响

通过改变桥塔顺桥向、横桥向的刚度参数，分析并比较了大桥动力特性随桥塔刚度参数的变化，分析结果如图5所示。

图5 （a）桥塔纵桥向刚度对动力特性的影响；（b）桥塔横桥向刚度对动力特性的影响

3）主缆与吊索刚度对动力特性的影响

通过改变主缆与吊索的轴向结构刚度参数，分析比较大桥动力特性的变化，结果如图6所示。

图6 （a）主缆轴向刚度对动力特性的影响；（b）吊杆轴向刚度对动力特性的影响

4）中央扣对动力特性的影响

通过添加或删除中央扣，分别计算并比较了有、无中央扣对大桥动力特性的影响，结果如图7所示。

图7 有无中央扣对大桥动力特性的影响

5）纵向约束系统

通过改变中塔与加劲梁之间的约束情况，计算了放松（released）与添加约束（enforced）两种纵向约束体系对大桥动力特性的影响，结果如表1所示。

表1 纵向约束体系对动力特性的影响

三

以同类型世界跨度第一的凤凰黄河大桥为背景，研究了大跨度三塔自锚式悬索桥结构动力特性的频率和模态特征，结合同类别、同跨度级别桥梁结构动力特性的比较，以及结构参数敏感性分析，得出了以下主要结论：

1）三塔自锚式悬索桥前100阶模态频率均分布在2.5Hz以内；第一阶模态为纵飘，低阶模态以竖弯模态为主，高阶模态则出现更多的主缆振动模态；扭转模态呈现出与桥塔及主缆侧向摆动的强烈耦合；由于桥梁宽跨比较大，前20阶模态中未观测到侧弯模态。

2）通过三座自锚式三塔悬索桥动力特性的比较，发现一阶反对称竖弯频率与主跨径呈现较好的反比例关系；相比于开口断面，当加劲梁采用闭口钢箱梁，其扭转模态中桥塔及主缆的振型参与更为突出，因此扭转频率随跨度的变化规律较不明显。

3）通过将三塔自锚式悬索桥动力特性与同等跨越级别的双塔悬索桥和斜拉桥的动力特性进行比较，发现对于一阶反对称竖弯模态频率，三塔自锚式悬索桥最小，双塔斜拉桥最高；对于一阶对称竖弯频率，双塔悬索桥最小，三塔自锚式悬索桥最大；关于扭转模态频率，三塔自锚式悬索桥的扭转模态中耦合了强烈的桥塔和主缆侧摆，有别于双塔悬索桥和斜拉桥，因此扭转频率的对比未呈现明显的规律性。

4）通过主梁、桥塔和主缆的参数分析，发现随着刚度的减小，相关模态频率总体上非线性降低，而且频率对结构参数的敏感性增强。此外，纵飘模态受边塔顺桥向抗弯刚度的影响最大，一阶竖弯模态频率受加劲梁竖弯刚度的影响最大，一阶扭转模态频率则对加劲梁扭转刚度最为敏感。

5）中央扣对一阶反对称竖弯模态频率影响十分显著，增加中央扣可以有效提升三塔自锚式悬索桥的竖弯刚度；中塔处增加纵向约束后结构自振频率的改变几乎可以忽略，但纵飘模态的消失可能会使抗震性能变差，因此建议释放纵向约束。