第３７卷第１期 ２０１１年３月 湖南交通科技 Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．１ ＨＵＮＡＮ ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ Ｍａｒ．２０１１ 文章编号：１００８－８４４Ｘ（２０１１）０１—００８０—０４ 苏通斜拉桥的静风响应及动力特性影响 朱显宇 （中铁十八局集团有限公司，天津３００２２２） 摘要：首先建立了苏通斜拉桥的三维有限元模型。按照文献报道的静三风力系数，计 算了大桥在风荷载下的静力变形。并分析了静力变形和内力对大桥动力特性的影响。结果表 明大桥在设计风荷载作用下主梁位移处于线性状态，具有良好的静风稳定性。静风下的变形 和内力对结构模态参数影响很小。 关键词：斜拉桥；静风效应；动力特性 中图分类号：Ｕ ４４】 文献标识码：Ｂ １ 工程概述 苏通大桥工程起于通启高速公路的小海镇互通 ＋１ ０８８＋３００＋１００＋１００）ｍ。主塔采用倒Ｙ型混 凝土桥塔，全高３０６ ｍ。桥面主梁为带风嘴的闭口 扁平钢箱梁，梁高４．０ ｍ，宽为４１．０ ｍ。整个结构共 设置１３６对拉索，最长斜拉索约５８０ ｍ，最短拉索约 １４０ １１１，中跨附近拉索水平问距为１６ ｍ，在塔附近拉 立交，终于苏嘉杭高速公路董浜互通立交。路线全 长３２．４ ｋｍ，主要由北岸接线工程、跨江大桥工程和 南岸接线工程三部分组成，全线采用双向六车道高 速公路标准，计算行车速度南、北两岸接线为 １２０ ｋｍ／ｈ。其跨江大桥工程总长８ ２０６ ｍ，其中主 桥为一座７跨双塔双索面钢箱梁斜拉桥。苏通斜拉 桥的主跨长为１ ０８８ ｍ，跨径布置为（１００＋１００＋３００ ｌ１００００ １０００９ ３０ｏｏｏ 索水平间距为１２ ｍ。全桥为纵飘体系。见图１。 本文建立了该桥的三维有限元动力分析模型， 采用大型有限元分析程序ＡＮＳＹＳ建立该桥的三维 有限元模型，利用文献给出的风洞试验结果，分析了 跨中位移随风速的变化。在此基础上，进一步分析 ．３０ｏｏｏ １０ｏｏｏ １ｏｏｏｉ， Ｉ ’ｌＯ８ ８００ 。 １ ，出 静风变形对模态参数的影响。 一６．３２４ 一 ．０ Ｉ ６．３ ０。６ ３ｄｂ 图１苏通大桥布置图（单位：ｃｍ） ２ 大桥有限元模型 目前应用较多的主梁计算模型主要有３种：鱼 翘曲刚度反映不足。双梁式模型将主梁的刚度和质 量平均分配给两个主梁，这样可以近似的考虑约束 扭转的贡献，使用于开口和半闭口截面的主梁，该模 型的缺点是对侧向刚度和约束扭转的刚度模拟不准 骨式、双梁式和三梁式，如图２。鱼骨式模型适用于 扭转刚度较大的闭口箱型截面主梁，它把桥梁的刚 度和质量都集中到中间节点上，节点和拉索之问处 理为刚臂连接或处理为主从关系，该模型的主梁的 确。三梁式模型由桥轴线上的中梁和位于索面处的 两个边梁以及横向共同组成，通过适当的刚度和质 量分配来满足等效条件，该模型力学性能好，但单元 数多，计算梁大，主要用于具有开口断面的主梁。 建立了苏通斜拉桥有限元模型，模型共有８６３ 刚度和质量的模拟较准确，但横梁的刚度和主梁的 收稿日期：２０１０—１１—１０ 作者简介：朱显宇（１９７５一），男，工程师，主要从事工程投资经营。 １期 朱显宇：苏通斜拉桥的静风响应及动力特性影响 ８１ 个节点，１ ２７１个单元，如图２所示。主梁、桥塔和桥 间采用无质量的刚臂连接；桥面的压重等平动质量 墩采用ＢＥＡＭ４单元模拟，斜拉索采用只能受拉的 以主梁的等效密度方式计人，而质量惯性矩则按照 ＬＩＮＫ１０单元模拟；斜拉桥与桥塔、斜拉索和主梁之 ＭＡＳＳ２１单元模拟。主梁与桥墩均为铰接，塔梁相 ｌ ２ ｊ Ｌ ｊ厂 蔓 一 』 ３ 图２ 苏通大桥单主梁有限元模型 交节点之间的纵向位移释放。 １ １ ３ 静风响应分析 ∈１ １ 根据文献中给出的主梁的静力三风力系数，计 －！Ｅ ０ 算了苏通大桥在不同风速下的静力变形和内力。计 ０ ０ 算时，０。攻角下体轴下的主梁三风力系数分别 Ｏ 为ＣⅣ＝０．９１ １，Ｃ ＝一０．１０６ ６，Ｃ＾，：０．０２８ ２； ＋３。攻角下体轴下的主梁三风力系数分别为Ｃ ＝ ０．９７９ １，Ｃ ＝０．１４７ １，Ｃ ＝０．０６４ ２。斜拉索的阻 力系数按照规范值取为０．８。桥塔的体型系数偏于 ｇ ＼ 安全的取为１．８０。 淤 主梁上的气动力按照单元荷载（Ｎ／ｍ）方式添 嬗 暮 加，其计算公式如下： １ — １ ． ＰＨ＝ ｐＵ ＣＨＨ，Ｐｖ＝ ｐＵ Ｃ ｖＢ， ＰＭ＝ １ ｐＵ ＣＭＢ ， （１） 二 式中Ｐ为空气密度，为１．２２５ ｋｇ／ｉｎ ；Ｕｏ为桥面风 曼 、 速，ｍ／ｓ；Ｈ为梁高４．０ ｍ；Ｂ为梁宽４１．０ ｍ。桥塔和 辞 拉索风荷载的风荷载按照换算的节点荷载施加。平 均风剖面指数取为０．１２。 图３给出了跨中主梁节点竖向位移、侧向位移 和扭转角随风速变化。从图看出位移与风速成抛物 ｃ１扭转角 线变化，说明结构还基本处在弹性范围，具有良好的 图３跨中主梁节点位移随风速变化 ８２ 湖南交通科技 ３７卷 静风安全性。在桥面风速１００ ｍ／ｓ时，扭转角约为 １。。这相当于增加了加劲梁的附加攻角。可能对桥 梁的颤振稳定性存在一定影响。 对称扭弯频比为２．８。图４一图７给出了一阶侧弯、 一阶对称竖弯、一阶反对称竖弯和一阶对称扭转的 定的耦合。 振型图。从振型图看，主梁的扭转和侧弯振型存在 一４ 静风变形对模态参数影响 大桥的模态分析是抗风抗震分析的基础。首先 计算了大桥的固有模态参数。计算时先进行静力分 析以计人恒载（风荷载）作用下的内力影响。表１ 给出了前１５阶频率及振型特征。从振型看出，第一 阶振型为纵飘振型，对大桥的抗震有利。大桥一阶 研究了静风效应对结构动力特性的影响。首先 进行了桥面风速Ｕ＝１００ ｍ／ｓ下的静力计算，在此 基础上考虑结构内力计算了模态特性，计算结果也 列于表１。从表１看出，静风效应对结构频率影响 很小。 图４苏通大桥第２阶振型（侧弯） １ — 飘 蹬霍蚕窜－－ 一Ｉ＿ｉ 盈 ：— ．一 一…！Ｆ一】 ２ ｉ 曼 ｌ１＼ ＼ 、 １３ ｉ 『图５苏通大桥第３阶振型（对称竖弯） １期 朱显宇：苏通斜拉桥的静风响应及动力特性影响 ８３ 图６苏通大桥第４阶振型（反对称竖弯） 图７苏通大桥第１４阶振型（对称扭转） 表１大桥前ｌ５阶频率及振型特征 频率／Ｈｚ … ｔ芎 成桥状态 考虑静风效应 镢型仃 土赞 厅芎 频率／Ｈｚ 成桥状态 考虑静风效应 …………、 馓型忖任 土萤 １ ２ ３ ０．０６３ ０ ０．０９７ ０ ０．１７３ ５ ０．０６４ ３ ０．０９７ ３ ０．１７３ ０ 纵飘 一阶对称侧弯 一阶对称竖弯 ９ １０ １１ ０．４４２ ０ ０．４４５ ８ ０．４４９ ２ ０．４４ｌ ３ ０．４４７ ４ ０．４４９ ２ 二阶对称侧弯＋扭转 桥塔侧弯 桥塔侧弯 ４ ５ ６ ７ ８ ０．２１１ ６ ０．２６８ ４ ０．２９９ ６ ０．３６１ ０ ０．４０３ ０ ０．２１２ ０ ０．２６９ ４ ０．３０１ ６ ０．３６５ ２ ０．４０７ ｌ 一阶反对称竖弯 一阶反对称侧弯 二阶对称竖弯 二阶反对称竖弯 三阶对称竖弯 １２ １３ １４ １５ ０．４５２ ４ ０．４８ｌ ２ ０．４８８ ８ ０．４８９ ２ ０．４５６ ３ ０．４８０ ９ ０．４８９ ０ ０．４９２ ７ 兰阶反对称竖弯 二阶反对称侧弯 一阶扭转 四阶对称竖弯 （下转第９５页） １期 遵守。 江薇，等：拼装式卵形拱涵施工技术 ９５ ８）两侧拱片就位后，必须严格控制线形，仔细 调节千斤顶，使线形平顺，并在拱顶吊垂线，使之与 ２）对进场的原材料要进行严格的检测，不合格 的材料坚决不允许使用，混凝土、砂浆施工一定要严 格按照试验室提供的配合比施工，并要求每个工作 台班必须做试块对其强度进行检测。对钢筋进场必 须有正规厂家提供的质量保证书，在钢筋的存放过 程中一定要做好防锈措施。 基础顶面拱轴线重合。 ９）拱片拱脚横向应做成与涵底纵坡一致的坡 度，以保证拱片拼装线形和涵洞纵坡。如图６。 ３）施工所使用的机具设备必须满足要求，做好 保养和检修工作，对施工影响较大的机具设备应配 １台备用应急使用。 ５ 施工过程中注意事项 １）基础预制槽位置及尺寸一定要准确，以免拼 装拱片时插不进去和拱脚处线形不平顺。 ２）拱片模板到场后，必须严格检查板模，尽量 将相对误差较小的模板预制同一侧的拱片，也就是 说，一侧的拱片最好用同一个模板预制，从而可以形 成同样的线形误差，来保证整体线形平顺。 ３）拱片混凝土强度达到设计强度的８０％后， 方可移动或吊装。 图６拱片与基础结合图 ６ 结束语 拼装式卵形拱涵因其荷载压力线与拱轴线较重 合，具有良好的抗压性，适用于高填方地段修建涵 洞，与重力式拱涵相比可以大大减小圬工体积，另外 预制拱片可以与涵洞基础同时施工，可有效地缩短 ４）拱片拼装过程中，要有计划地使拱片预制的 误差分布均匀，防止拱片与基础在沉降缝处发生错 缝，同时应尽量使拱片安装间距相等。 ５）拼装式卵形拱涵属于柔性结构，对于抵抗不 均匀侧向压力比较敏感，所以台背回填时应该严格 工期等优点，运用于我标段ｋ３３＋９８９．６处（拱涵立 体图见图７），经实际施工情况来看，与其它类型涵 洞相类比，其特点显著，取得了良好的效果。 控制各施工工艺，必须保证分层对称填筑，且保证压 实度达到９６％以上。 ６）拼装完毕后，应及时灌填拱脚砂浆和浇筑拱 顶湿接头混凝土，灌填砂浆和湿接头混凝土都属于 小体积圬工，必须加强养生工作和控制好水灰比，否 则将产生干缩裂缝。 ７）吊装前，必须编写专项吊装施工方案，报监 理工程师审批，并设专人负责指挥吊装，确保施工安 伞 １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ １ 图７ ｉｄ３＋９８９．６拱涵立体图 １ １ １ １ １ １ １ （上接第８３页） 很小。 参考文献： ［１］许福友，陈艾荣．苏通大桥静风响应分析［Ｊ］．工程力学，２００９ （１）：１—１２． ５ 结论 对苏通大桥的静风效应分析及模态分析表明： １）大桥在设计风荷载作用下主梁位移处于线 性状态，具有良好的静风稳定性； ２）第一阶振型为纵飘振型，对该大桥的抗震有 利； ３）静风下的变形和内力对结构模态参数影响 ［２］马如进，陈艾荣，刘志文．大跨度斜拉桥拉索分段模拟对动力特 性的影响［Ｊ］．同济大学学报（自然科版），２００９，３３（３）：５８０— ５８４． ［３］尹晓明，赵研峰．斜拉桥动力模型分析［Ｊ］．铁道标准设 ‘，２００３ （１０）：３８～３９．
