大跨度悬索桥结构的合理性研究

2017-03-17王文英刘增光

卷宗 2017年1期

王文英++刘增光

摘要：以珠江虎门大桥为例，基于结构模态分析，对结构合理性作了初步研究，探讨了结构尺寸、支撑位置对结构模态的影响规律。通过改变加劲梁截面形状与主塔支撑位置，定性地分析其与结构模态参数之间的关系，具有一定的工程指导意义。

关键词：虎门大桥；模态分析；结构合理性

虎门大桥为单跨双铰加劲梁，其结构特性主要包括：宽跨比、高跨比等。在虎门大桥的宽度确定以后，加劲梁高小些，断面的流线型好些，有利于风动稳定，但是高度太小会导致加劲梁的抗扭刚度削弱太多，导致结构在同样的载荷下产生更大的变形，此外还容易导致涡振和抖振的发生产生结构疲劳。所以选定加劲梁结构的合理形状极为重要，它是结构优化设计中的重点和难点。

1 悬索桥有限元模型的建立

悬索桥结构主要包括主缆、吊索、加劲梁、主塔、鞍座、索夹，锚碇等。虎门大桥位于珠江口，于1992年10月底开工，历时4年7个月，于1997年6月9日建成开通。虎门桥的垂跨比为1/10.5，加劲梁的支撑体系为单跨双铰。实物模型向有限元模型转换时，需在结构、载荷等方面进行模型化处理，尽可能使两者的力学性能一致。有限元建模时，首先分别建立悬索桥各构成部分的有限元模型，主要包含悬索、吊杆、然后根据各部分之间的约束关系建立整桥的模型。对于加劲梁，由于其实际结构非常复杂，有限元模型可能会因节点过多而难以分析，因此采取整体弯曲、扭转刚度与原始加劲梁等效的原则对其进行简化。根据各部分的结构特点选择合适的单元类型—加劲梁选择薄壳单元，悬索、主塔与吊杆选择空间梁单元，最后通过节点间的耦合形成整桥有限元模型。边界条件是将悬索桥两边锚碇看作固定端；主塔底端固定，上方自由。综合以上几点建立等效后的虎门桥有限元模型如图1所示。

2 加劲梁的形状、尺寸合理性研究

在不改变加劲梁高度、总体质量、横截面面积的情况下，计算分析不同宽度下，其结构模态参数的变化规律。设加劲梁原始宽度为B，分别计算加劲梁在相同的约束下，宽度为0.6B、0.8B、B、1.05B、1.1B、1.15B以及1.3B时的频率，其结果见表1。

从表1我们可以得到以下的结论：随着宽度的改变，竖弯振型所对应的频率变化幅度并不很明显，但是侧弯振型所对应的频率变化比较显著。

3 加劲梁的支撑位置合理性研究

虎门桥主缆的分跨布置为302m+888m+348.5m，改变虎门桥的加劲梁的支撑位置，用ANSYS进行模态分析，得到的分析结果可以给设计者提供一定的参考价值。

I：加劲梁主跨为824m；II：加劲梁主跨为840m；III：加劲梁主跨为872m；

IV：加劲梁主跨为888m；V：加劲梁主跨为896m；VI：加劲梁主跨为904m；

VII：加劲梁主跨为936m。

不同主塔支撑位置下，加劲梁模态频率见表2。

从表2我们可以得到如下结论：随着支点的内移，第一、二、五、六阶频率成增大趋势，且变化程度随着内移尺寸的增大而增大；随着支点的内移，第三、四阶频率成减小趋势，且变化程度随着内移尺寸的增大而增大。

总之，加劲梁的宽度对加劲梁的侧弯频率有显著的影响，而对竖弯模态虽然有一定的影响，但是程度不大；当改变加劲梁支撑点位置时，振型没有发生变化，频率变化随着移动尺寸的增大越来越明显，可以结合当地的地理环境，选择合适的支撑位置。

参考文献