斜拉桥动力特性分析

项目基金：交通运输部西部交通建设科技资助项目(200731822340)。

作者简介：高原(1976-)，女，云南昆明人，硕士，主要从事桥梁、道路工程教学与科研。

1引言目前，中国已成为世界上拥有预应力混凝土斜拉桥(以下简称“PC 斜拉桥”)数量最多的国家之一。

然而，拉索的腐蚀退化和振动疲劳衰减是制约PC 斜拉桥使用寿命的两大因素，已成为结构耐久性的威胁和挑战。

另外，相当一部分PC 斜拉桥在经过一段时间的运营后，结构的线形或内力偏离原设计状态过多，导致结构的混凝土开裂、主跨下挠、局部构件失效等病害。

PC 斜拉桥的加固已成为工程中的热点问题，由此使得各种加固技术不断丰富，也出现了许多新的加固方法。

但是，旧桥加固后评价技术却显得相对滞后，特别是对桥梁加固后的动力特性评价。

自振特性是结构本身固有的、反映桥梁刚度的指标，分析结构加固前后动力特性的变化，并对其动力性能进行评价是PC 斜拉桥加固后评价的重要手段。

笔者结合天津永和大桥的加固工程，在介绍主梁为带分离边箱的半开口截面的大跨漂浮体系PC 斜拉桥自振特性的计算方法基础上，分析加固措施对其动力特性的影响，对加固后的动力特性做出评价，以供参考。

2桥梁概况永和大桥为5孔一联、主孔为跨径260m 、双塔双索面、塔墩固结、连续呈漂浮体系的PC 斜拉桥（如图1），跨径组合为25.15m +99.85m +260m +99.85m +25.15m ，主梁全长512.4m ，大部分主梁节段为预制块件，截面由两侧的三角箱及中间顶板和横隔板组成，属底部呈敞开形式的半开口箱梁断面（如图2），桥面净宽为9＋2×1.0m 。

塔高55.5m ，塔柱斜腿段为型钢骨架混凝土空心柱，主墩为沉井基础，其余墩台为管桩基础，辅助墩设拉力摆索支座。

设计荷载等级为汽-20级，挂-100，人群荷载2.5kN/m 2，于1987年12月建成通车。

2006年7月～2007年2月，该桥进行了加固，其主要措施包括主梁混凝土裂缝封闭、缺陷修补及粘贴碳纤维布、主跨合龙段置换并加固、桥面铺装翻新、全桥换索并调索等。

大跨度斜拉桥动力特性实测摘要：为了研究某跨海大桥的半漂浮体系斜拉桥的动力特性，对该斜拉桥进行了动力特性实测，通过对实测信号的分析，得到该大桥的固有频率和阻尼比。

关键词：斜拉桥；动力特性；固有频率；阻尼比0引言斜拉桥由于其跨越能力大、结构新颖高效而成为现代桥梁工程中发展最快、最具有竞争力的桥型之一【1】，特别是在跨江跨海大桥这面优势更加巨大。

随着科技的发展，从近年来所建的斜拉桥来看，斜拉桥的建造正在向着跨度越来越大，主梁越来越轻柔方向发展。

斜拉桥跨度增大，主梁轻柔导致其刚度变小，对桥梁在车辆荷载、风荷载和地震荷载作用下动力响应尤为敏感，严重的会引起桥梁结构的破坏。

因而有必要对其动力特性进行研究，为其抗震、抗风设计提供依据和参考，是一项很有意义的工作【2】。

1 工程概括某跨海大桥主桥为主跨780m的五跨连续半漂浮体系双塔双索面斜拉桥，其跨径布置为95+230+780+230+95=1430m。

索塔采用钻石型，包括上塔柱、中塔柱、下塔柱、和下横梁，塔柱采用空心箱型断面，采用C50混凝土，塔柱顶高程230.70m。

主桥斜拉桥钢箱梁含风嘴全宽38m，不含风嘴宽34.108m，中心线高度3.5m。

主桥斜拉索采用1670 MPa平行钢丝斜拉索，全桥共25×4×2=200根斜拉索。

2 测试系统简介为了分析大桥的动力特性，本次实测选取了4个加速度传感器。

分别测量大桥的竖向振动和横向振动，加速度传感器布置在跨中截面，传感器布置位置如图1。

由于此次没有布置扭转加速度传感器，故扭转加速度信号则由这两个竖向加速度信号的差值除以其横向间距28m。

加速度传感器采用北戴河兰德科技的BC00-19超低频振动传感器，其最低采样频率为0.1HZ；采集模块采用的是美国恩艾公司的NI-9234，其具有抗混叠滤波强、精度高等、4通道同步采集等特点。

另外，采用美国NI公司的LabviewSignlaExpress信号采集系统。

一、引言单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥是跨越河流、峡谷等水体的主要桥梁形式之一。

它具有结构简单，施工周期短，风阻小，景观性好等优点，在众多桥型中占有重要地位。

随着桥梁技术的不断发展，单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥在经济性、稳定性和耐久性等方面也取得了明显的进步。

但是，在单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥的施工过程中，施工动力特性是一个重要的问题。

本文主要对于单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工动力特性进行分析和探讨，以期能够更好地指导实际工程的建设。

二、单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥结构特点单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥结构形式独特，主要包括以下特点：（1）单索面：该桥梁的索面是个单曲线双向受力系统，它把桥面荷载分布到最大限度的索弦上。

（2）公路和铁路的两用性：该桥梁既可通行公路汽车，也可通行铁路火车。

（3）钢桁梁：该桥梁用钢板焊接成撑杆和横梁，具有良好的抗弯性能和强度。

（4）独塔斜拉：该桥梁中心有一座独立的主塔，从而减轻了桥梁整体的质量，提高了桥梁的稳定性。

以上特点也是单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工动力特性的基础。

三、单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工动力特性分析（1）风荷载单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥风荷载较大，因此在施工过程中，必须考虑到风荷载引起的振动和破坏问题。

在桥梁施工中，应按照设计要求严格执行风沙预报和风速等级化预警要求，加强对于施工现场交通和人员安全的保证。

（2）桥梁震动问题桥梁震动问题是单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工过程中的另一个重要问题。

对于施工中的岩石爆破、桥面浇筑等，都可能会对桥梁结构产生振动，因此应增加桥梁支撑体系，加强桥梁的稳定性。

（3）温度变化问题在单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥施工过程中，由于气候条件的变化可能会引起钢材温度变化，从而影响桥梁结构的稳定性。

因此，必须建立完善的监测系统，对桥梁结构进行实时监测，及时采取相应的措施，以保证桥梁结构的安全。

（4）施工机械动力问题在单索面公轨两用钢桁梁独塔斜拉桥的施工过程中，施工机械的动力问题也是需要注意的。

独塔斜拉桥动力特性分析及基频估算摘要：动力特性分析是桥梁结构抗风、抗震计算的重要基础，基频则直接反映了桥梁结构的竖向动力效应（冲击系数）。

本文以两座独塔斜拉桥为工程背景，运用MIDAS/Civil建立有限元模型，通过对比自振特性方面的差异，分析单索面和双索面对独塔斜拉桥动力特性的影响，并以杭州湾南航道桥为原型，在顺桥向通过对称复制形成双塔斜拉桥，在此基础上研究独塔斜拉桥的基频估算公式。

关键词：独塔斜拉桥；动力特性；基频；单索面；双索面独塔斜拉桥按照拉索布置方式，可分为单索面、竖向双索面和斜向双索面等三种类型[1]。

桥梁结构的基频反映了结构的尺寸、类型、建筑材料等动力特性内容，直接反映了冲击系数与桥梁结构之间的关系[2]。

斜拉桥具有密布的频谱，自振特性表现出明显耦合性[3]。

研究表明，独塔单索面斜拉桥第一阶振型为主塔侧向弯曲[4-6]；独塔双索面斜拉桥第一阶振型为主梁竖向弯曲[7,8]；斜向双索面比单索面的抗扭刚度要大，使得扭转振型出现较晚；此外，塔梁固结体系也可提高主梁的抗扭刚度。

1有限元模型深圳湾公路大桥通航孔桥（以下简称深圳湾通航孔桥）为独塔单索面钢箱梁斜拉桥，主跨跨径180m，桥跨布置为180m+90m+75m。

主梁为单箱四室薄壁钢箱梁；索塔呈倾斜式，总高度为139.053m，塔身中心斜率为1/5.6713，塔柱为对称空心薄壁箱形截面；全桥共设12对斜拉索，呈不对称布置，边跨斜拉索索距3m，主跨标准索距12m，塔上索距4m，斜拉索采用直径7㎜的镀锌高强度低松弛钢丝。

主2号墩为塔墩梁固结，主1、主3、主4号墩上设球形钢支座。

杭州湾跨海大桥南航道桥（以下简称杭州湾南航道桥）为独塔斜向双索面钢箱梁斜拉桥，主跨跨径318m，桥跨布置为100m+160m+318m；主梁为单箱三室扁平流线型钢箱梁；索塔总高度为194.3m，为钻石型空间索塔，塔柱为空心薄壁截面，横梁为预应力混凝土箱型截面；全桥共设20对斜拉索，呈不对称布置，边跨B13～B20号索索距7.5m，其余索距为15m，斜拉索采用直径为7㎜的镀锌高强度低松弛钢丝。

桥梁设计的动力特性分析摘要：本文以某大跨度独斜塔斜拉桥为例，应用通用有限元程序对整桥建立空间有限元模型，计算其动力特性，并结合其他同类型桥梁的理论计算和试验结果，分析了该类型桥梁的动力特性。

一、斜拉桥的结构型式斜拉桥由桥塔、斜拉索、加劲梁等主要部件组成，作用在桥面上的荷载通过斜拉索传至桥塔，继而传至地基，因而力流明确。

从力学角度，斜拉桥的桥面可视为由斜拉索弹性支承连续梁，每根斜拉索拉力的竖向分量为其提供竖向支承，水平分量在梁体内产生巨大预压力，所以斜拉索可视作体外预应力筋。

斜拉桥基本体系按力学性能可分：l 、飘浮体系在塔、墩固结时，采用这种体系能减少混凝土徐变影响，并可抗震消能，因此地震烈度较高地区可采用该体系，以提高结构固有周期。

为形成纵向能摆动的飘浮体系，拉索在立面布置应为辐射形或扇形。

通常为减小塔根处梁无索区的正弯矩，可在塔下设置竖直索（又称零号索），使得梁在该处有一弹性支承点，或在塔的下横梁设置竖向支座，以形成半飘浮体系，如南京长江二桥南汉斜拉桥就采用半飘浮体系。

为阻止飘浮体系产生过大纵向位移，可采用纵向弹性约束：在主塔两侧设置一端固定在主塔下横梁、另一端固定在主梁上的弹性拉索。

这种支承方式首次用于日本名港西大桥，白沙洲长江大桥、芜湖长江大桥也采用了这种支承方式对主梁纵向位移进行适当约束。

2、支承体系在塔、梁固结时。

桥塔处主梁下设置支座将形成全支承体系，这时支座承载能力应十分强大，一般仅用于小跨径斜拉桥。

对于大跨度斜拉桥，由于上部结构反力过大，支座构造复杂，制作困难，且动力特性欠佳，不利于抗震、抗风，故不宜采用。

3、塔、梁、墩固结体系采用这种体系，能克服上述大吨位支座的制造困难并提供稳定的施工条件，宜用于独塔斜拉桥的设计。

但其动力性能差，在窄桥情况下尤其严重。

为克服体系温度应力影响，双塔情况下，通常在中跨设挂孔或铰，但不利于养护及行车舒适性。

在边孔高度不大及不影响通航情况下，布置辅助墩对改善结构受力状态、增加施工期安全均十分有利，并可大大提高全桥刚度。

文章编号:100926825(2007)0620297202高低塔斜拉桥动力特性分析收稿日期6225作者简介甘　露(82),男,重庆大学土木工程学院桥梁与隧道工程专业硕士研究生,重庆　5甘　露摘　要:通过对国内某高低塔单索面斜拉桥建立三维空间有限元模型,进行了自振频率、振型的模态分析,总结了该结构体系斜拉桥的动力特性,可为同类桥梁的分析提供参考。

关键词:斜拉桥,有限元模型,振型,动力特征中图分类号:U448.27文献标识码:A引言从1955年瑞典建成世界上第一座现代斜拉桥后,斜拉桥在世界范围内迅速发展,斜拉桥的复兴被称为20世纪下半叶世界桥梁界最重要的事件。

进入21世纪以来,斜拉桥跨径进一步加大。

同时,随着跨度的不断增大,其结构刚度越来越柔,斜拉桥在动力荷载(如风、地震和汽车荷载等)作用下的动力分析和结构性能倍受工程界关注。

斜拉桥的动力特性包括结构的自振频率和振型等,反映了斜拉桥的质量分布和刚度指标,对正确地进行桥梁结构的抗风研究、抗震设计都具有重要意义。

高低塔(姊妹塔)斜拉桥是介于独塔斜拉桥和普通双塔斜拉桥之间的一种特殊桥型,在结构上有自己的特点。

目前这种桥型在国内修建得不多,对其动力特性分析的文献较少,因此有必要对这种桥型的动力特性进行较深入的分析。

1　斜拉桥动力特性计算1.1　计算理论实际斜拉桥结构是一个质量和刚度连续分布的体系,结构具有无限多个自由度,在进行有限元分析时需要将结构离散为只有有限个自由度的有限元计算模型,由于阻尼对结构自振特性的影响很小,因此在求结构的自振频率和振型时,通常忽略阻尼的影响。

设结构具有n 个自由度,则该体系的自由振动可用式(1)表示:MU ″(t)+KU (t)=0(1)式中:M ,K ———分别是结构体系的质量、刚度矩阵;U (t )———体系各节点的位移矢量。

与上述n 个自由度的模型相对应的特征方程可表示为式(2):(K -ω2M )U =0(2)3.4　支护内力施工结束时支护内力如图4～图7所示。

两种斜拉桥动力特性比较随着斜拉桥跨度的不断增大，结构刚度越来越柔，其在动力荷载作用下的动力特性和结构性能倍受工程界关注。

为获得与真实结构更为接近的动力特性，斜拉桥的动力计算模式的选用至关重要，本文以辰塔公路跨黄浦江大桥为工程背景，对混凝土斜拉桥两种不同的动力模型对结构的动力特性影响进行比较分析，以期为类似工程提供参考经验。

1.工程背景辰塔公路跨黄浦江大桥位于上海市松江区主城区的西南部，基本呈南北走向的辰塔公路上，是辰塔公路（D30 公路）跨越黄浦江横潦泾段的一个重要节点。

大桥为主跨296m的双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，桥梁跨径组合为48+77+296+77+48=546m. 桥面宽度34.6m，H型钢筋混凝土桥塔，承台以上塔高92.2m，桥面以上塔高76m. 主梁标准截面采用预应力混凝土双主肋断面，主梁宽度34.6m，顶面在车行道范围内设2.0% 双向横坡，布索区和人非混行道为平坡。

主梁中心高度2.8m，主梁肋处梁高2.55m，主梁梁高全桥不变。

桥梁总体布置图和主梁横断面尺寸如图1、图2所示.2.动力分析模型斜拉桥的动力分析模型应着重与结构的刚度、质量和边界条件的模拟，使其尽量与实际情况相符。

结构的刚度模拟主要指各构件的轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度的模拟，质量模拟主要指构件和附属物的平动质量和转动质量的模拟。

对于采用双主肋断面的混凝土梁斜拉桥来说，常用的动力分析模型有脊骨梁模型和三主梁模型两种形式。

以下将对这两种动力分析模型作一简要介绍。

2.1脊骨梁模型脊骨梁模型是动力计算中采用较多的一种模式，它将主梁处理为桥纵轴线位置的单根主梁，主梁的轴向刚度、弯曲刚度、扭转刚度和剪切刚度均集中到主梁上，主梁单元的节点与拉索节点采用刚臂进行连接，主梁质量可分配到主梁单元的两端节点上，并通过引入集中质量矩的形式来考虑主梁的扭转惯性。

脊骨梁模型比较好的模拟了原桥面主梁的刚度和质量，但对开口断面形式的主梁的约束扭转刚度不能充分考虑，因此需要对主梁的扭转刚度进行修正。

第39卷第6期2013年12月四川建筑科学研究Sichuan Building Scince斜拉桥单、双主梁建模动力特性比较王建新，马存明，高伟，樊泽民（西南交通大学土木工程学院，四川成都610031）摘要：为研究不同建模方法对斜拉桥动力特性的影响，首先以简支梁为研究对象进行分析。

文中分别采用单主梁、双主梁对简支梁和斜拉桥进行建模并进行动力特性计算，对两种建模方法计算的结果进行对比，分析两种建模方法对计算桥梁动力特性产生差异的原因。

计算结果表明，两种建模方法对竖向弯曲频率、扭转频率影响较小，对横向弯曲频率影响较大。

关键词：斜拉桥；有限元；动力特性；分析中图分类号：U448．27；TU317．1文献标志码：A文章编号：1008－1933（2013）06－165－04The comparison of dynamic characteristics of cable-stayedbridges with single-girder and double-girderWANG Jianxin，MA Cunming，GAO Wei，FAN Zemin（School of Civil Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu610031，China）Abstract：To study the effect of different methods of modeling to the dynamic characteristics of cable-stayed bridges，a simply supported beam is studied and analysised．Single-girder and double-girder are used for modeling and calculating the dynamic characteristics for both bridges in this paper．The comparison of the results from the two methods is made and the causes of the difference of the dynamic characteristics of the bridge resulted by the methods above are analysized．The result shows that adopting the two different methods have a slight effect on the vertical bending frequency and torsional frequency while a relatively heavy influence on the lateral bending frequency．Key words：cable-stayed bridge；finite element；dynamic characteristics；analysis1概要在对斜拉桥结构进行合理简化的建模与计算过程中，要求在保证结构刚度、质量的空间分布以及约束条件能够有效地反应真实结构工作状态的基础上，通过空间杆系来模拟整个结构：桥墩、桥塔皆采用三维梁单元模拟；斜拉索、缆索与吊杆皆采用杆单元模拟。