半漂浮体系斜拉桥动力特性的有限元分析与试验研究_李湛

2010年12期(总第72期

)作者简介：李湛（1978-），男，内蒙古包头人，助理研究员，主要从事桥梁结构的检测与评价工作。

1工程概况

本桥为77+218+620+218+77m 五跨连续钢箱梁斜拉桥，桥面宽度30.1m （

包含风嘴）。桥型布置见图1所示。钢箱梁采用正交异性板流线形扁平钢箱梁，梁高3.0m (箱内尺寸)，宽30.1m （含风嘴）。桥塔采用钻石型桥塔，采用C50混凝土，塔柱顶高程210.00m ，承台顶高程6.00m ，桥塔总高204.00m ，其中上塔柱高68.50m ，中塔柱高92.00m ，下塔柱高41.00m 。塔柱采用空心箱形断面。

图1总体布置图/cm

2有限元模型的建立

斜拉桥是由索、塔、梁组合形成的一种空间受力结构，在对其进行有限元分析时，首先要将结构离散化，即将桥梁结构划分成若干个单元，各单元之间通过节点相连。进行动力特性分析，建立有限元模型时应该着重

于结构的刚度、质量和边界条件的模拟，为了考虑斜拉索的垂度引起的非线性,其力学模型处理有两类,一类最为简单,直接处理为弹性直杆单元包括单直杆和多直杆),另一类是等效弹性模量法,即索的弹性模量采用Ernst 公式予以折减,本次计算采用前者的简化处理方法。本文根据桥梁的设计资料采用土木工程通用计算软件Midas Civil 中建立了本桥的有限元模型。钢箱梁和主塔均采用梁单元模拟，斜拉索采用桁架单元模拟。全桥模型共有节点474个，梁单元300个，桁架单元168个，模型如图2所示。

图2有限元模型

3动力性能测试

本次固有振动参数采用天然脉动试验法进行测试，

天然脉动试验法即在桥面无任何交通荷载以及桥址附近无规则振源的情况下，测定桥跨结构由于桥址处风荷载、地脉动、水流等随机荷载激振而引起的桥跨结构微小振动响应。通过测量桥塔、钢箱梁和斜拉索的环境振动响应，识别大桥前15阶整体振动的动力特性参数，包括振型振动频率、振型和阻尼比。

测试时根据桥梁现场的实际情况采用有线与无线两

半漂浮体系斜拉桥动力特性的

有限元分析与试验研究

李

湛

（交通运输部公路科学研究院，北京100088）

摘

要：斜拉桥结构的振动特性参数（振动频率、振型及阻尼比）是大桥动力学性能的决定因素之一，也是结构

总体状态的一种表征。斜拉桥结构的结构体系问题、抗风性能、抗震性能均与大桥结构的动力特性密切相关。本文采用Midas Civil 结构分析软件建立了某半漂浮体系钢箱梁斜拉桥的三维有限元模型，分析了大桥的动力特性，并将有限元分析结果与大桥的动力性能测试结果进行了比较。关键词：半漂浮；斜拉桥；动力特性；有限元；脉动试验中图分类号：U448.27

文献标识码：

B

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2010年12期(总第72期)

套测试系统，无线模块用于桥梁的主梁测试，在测点较多的情况下无线系统解决了大量线缆移动不便的难题，提高测试效率；有线系统则适合于桥塔内测试无线信号传输受阻的测试环境，两套系统测得的桥梁振动数据合并分析，得出桥梁的模态参数。测试前基于该桥的动力特性计算结果，对测试系统进行了专项校准，校准的频率范围为0.02~1.5Hz 。在每个竖向振型的测试断面上采用竖向传感器，在横向振型的测试断面上采用横向传感器，钢箱梁纵向飘移采用在东侧边跨过渡墩墩顶及东端近伸缩缝处布置侧向传感器。

为获得完整的振型曲线，本次试验桥面总计69个测试断面、每个索塔塔身各7个测试断面，详见图3。

图3结构自振试验-脉动试验测试断面及测点布置示意图

4分析结果

通过脉动试验测试分析得出该桥前16阶自振模态，实测振型和频率详见表1。在理论计算可识别的范围，实测频率与理论计算频率较为接近，除第1阶索塔和钢

箱梁纵飘结合振动实测频率为0.10Hz ，略小于计算值0.111Hz ，其他各阶实测振动频率均大于相应计算值，前5阶理论振型与实测振型对比见图4~图13。

图4第1阶实测振型图

图5第1阶理论振型图

图6第2

阶实测振型图

表1

结构自振特性参数测试结果

桥隧工程

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)图7第2阶理论振型图

图8第3阶实测振型图

图9第3阶理论振型图

图10第4阶实测振型图

图11第4阶理论振型图

图12第5阶实测振型图

图13第5阶理论振型图

5结论

（1）通过进行了脉动试验，大桥的理论计算频率和

振型与实测结果基本一致，因此有限元分析可以作为该类型桥梁结构动力特性分析的有效手段。

（2）除第1阶索塔和钢箱梁纵飘结合振动实测频率为0.10Hz ，略小于计算值0.111Hz 外，其他各阶实测振动频率均大于相应计算值，结构刚度满足要求。

(3)此类桥型的纵向漂移和竖向弯曲振型出现较早,由此引起的塔的顺桥向弯曲,所以塔的顺桥向位移和主梁的竖向位移比较显著,这种振型对斜拉桥的地震响应有较大的影响,因此对该桥的纵向和竖向反应要予以重视。

参考文献：

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林炳哲.公路桥梁结构检测技术研究.科技信息，

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