浅谈斜塔无背索部分斜拉桥动力特性

【摘要】斜塔无背索部分斜拉桥是一种具有斜塔无背索斜拉桥的外形，部分斜拉桥受力行为的新桥型，工程人员有对此桥型进行过设计方法的研究，但多集中在静力方面。关于动力性能，尤其是大跨径无背索斜拉桥的动力性能方面的研究和报道还比较少，本文在这方面进行一些探索。

【关键词】斜塔无背索动力特性振型

中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：

斜塔无背索部分斜拉桥在世界范围的发展历程仅仅二十多年，在获得优美外形的同时也使结构更加复杂。工程人员对此桥型进行过设计方法的研究，但多集中在静力方面。本文选取工程背景桥为唐山曹妃甸无背索部分斜拉桥，并结合长沙的洪山大桥，位于酒泉卫星发射中心的黑河公路大桥与厦门银湖大桥与本文工程背景桥唐山曹妃甸无背索部分斜拉桥作比较，分析斜塔无背索部分斜拉桥的动力特性。

一、各桥的工程概况

1、唐山无背索斜塔部分斜拉桥

唐曹高速公路与湿地旅游公路交叉设置通港互通，该互通为唐海县及首钢住宅区出行车辆上下高速公路提供服务。桥型方案选定为无背索竖琴式斜拉桥方案。上部采用单塔双索面预应力砼斜拉桥,主桥跨径组合:(47+73)m。主桥结构形式采用斜塔扇式单塔双索面无背索预应力混凝土斜拉桥 ，固接体系，即塔梁独立，梁墩固接，塔墩与承台固接。索塔的倾斜，边跨无拉索，主跨设七对拉索。主塔采用群桩组合式基础,桥台采用肋式台,采用钻孔灌注桩基础。主塔呈斜'A' 形,自桥面至塔顶高 38.2m。主塔与主梁之间由拉索建立联系，主塔采用变截面预应力混凝土结构。在桥面以上，主塔横桥向宽度 260cm 不变，桥面以下加宽到 500cm。

2、黑河公路大桥

普通无背索斜拉桥，全长 80 米，斜塔垂直高 42 米，倾角采用 58 度。主梁采用钢筋混凝土箱形梁，单箱三室，底板施加预应力。拉索与主梁连接处设置横梁，与斜塔连接处锚固于塔内。斜塔采用钢箱塔，半椭圆形结构，箱内注入混凝土作为配重，以增加斜塔对主梁的拉力。全桥共设 7 对斜拉索。承台与塔底大横梁连为一体，其下与桩基相连。

3、厦门银湖大桥

主跨为 80m+80m 的预应力混凝土独塔单索面单排索部分斜拉桥，主梁采用单向三室大悬臂截面，箱梁顶宽 27m，悬臂长 4.5m，箱梁底宽 16.24~17.0m，腹板斜置，斜拉索布置在中室。主塔结构桥面以上高 30.25m，采用实心 H 型截面，顺桥向宽 3.5m，横桥向宽 2.0m，布置在中央分隔带上。斜拉索竖琴式单索面布置在中央分隔带上。采用塔梁墩固结结构形式。

二、动力计算

1、动力特性有限元模型

唐山无背索部分斜拉桥动力特性有限元模型见下图1。

图1

2、频率与振型

2.1唐山无背索部分斜拉桥的各阶频率及振型

对于大型或异形的桥梁结构，通常是前几阶自振频率和相应的振型起着绝对的控制作用，因此，采用 Block Lanczos 法，利用 Midas 程序计算了唐山无背索桥的前 10 阶振型和频率，并列出前十阶振型图，模型的自振频率和振型特点见下表 1。

表1 唐山无背索部分斜拉桥频率及振型汇总表

提取前十阶振型图：

第一阶振型图（f=1.046031） 第二阶振型图（f=1.620241）

第三阶振型图（f=3.220938）第四阶振型图（f=3.761324）

第五阶振型图（f=3.919661）第六阶振型图（f=4.202482）

第七阶振型图（f=4.605918）第八阶振型图（f=5.426289）

第九阶振型图（f=7.082395） 第十阶振型图（f=7.27592）

图2唐山无背索部分斜拉桥各阶振型图

2.2黑水河公路大桥各阶频率及振型【5】

表2黑水河普通斜塔无背索斜拉桥频率及振型汇总表

2.3银湖大桥各阶频率及振型【6】

表3银湖部分斜拉桥频率及振型汇总表

三、动力特性分析：

自振频率值的大小是桥跨结构整体刚度和质量的直接体现，振型序列是以自振频率值由小到大的排列顺序，该顺序反映了桥跨结构不同振型对应的整体刚度抵抗对应模态失稳能力的排序。

无背索斜拉桥的体系特点决定了，需要用桥塔后倾产生的自重弯矩来平衡主跨侧的重力。这一要求对结构重量分布形成了显著影响，对于黑河公路大桥和唐山无背索部分斜拉桥这两座桥，桥塔振型作为首阶振型出现，具有一定的必然性。黑河公路大桥是普通斜塔无背索斜拉桥，第一振型为桥塔横弯振型，说明普通斜塔无背索斜拉桥桥塔刚度比主梁弱。而一阶主梁竖弯振型都出现在第二阶振型中。一阶扭频是斜拉桥动力特性中一个重要的频率，它的大小与颤振临界风速有很大的关系，因为扭转振型在颤振中占主要成分，扭频越高，结构的抗风性能越好。黑河公路大桥第四阶出现了斜塔的扭转，第 5 阶又出现了斜塔的侧弯，说明斜塔无背索桥塔柱刚度比较小，其中塔的扭转振型对斜拉桥的颤振影响较大，在进行抗震分析时要充分考虑这部分的影响。黑河公路大桥在前 10 阶主要振型中，到第七阶才出现主梁扭转为主的振型，说明结构扭转刚度较大，与截面为单箱三室全闭口截面，具有较大的扭转刚度相符。

银湖部分斜拉桥全桥自振频率很高，表现出了很高的整体刚度，前 8 阶振型都是以主梁振动为主，充分体现了部分斜拉桥主梁刚度大的特点。

唐山桥是一座斜塔无背索部分斜拉桥，兼具斜塔无背索桥和部分斜拉桥的特性。从图 2 可以看出，唐山无背索桥的振型相当复杂，包含着三维的分量。虽然振型的变化大，但从整体来看仍有着自身的特点和一定的规律。从图 1 及自振频率来看，桥梁结构的动力（自振）特性展现出如下特点：与银湖部分斜拉桥一样，全桥自振频率很高，第一阶频率已大于 1，全桥表现出了很高的整体刚度。第一阶振型中与黑河公路大桥一样主塔侧弯，说明该桥符合无背索斜拉桥的特点，且说明主塔刚度小于主梁。第五阶振型中，主梁出现扭转，相比黑河公路大桥主梁扭转出现在第七阶，说明唐山无背索部分斜拉桥主梁抗扭刚度小于黑河公路大桥。

结论：斜塔无背索部分斜拉桥的索塔变形和受力受索塔刚度变化的影响大，斜塔无背索部分斜拉桥索塔变形能力及受力能力取决于索塔本身刚度，所以斜塔无背索部分斜拉桥索塔的刚度一般设计的很大，斜塔无背索部分斜拉桥全桥整体刚度很大，自振频率高。

参考文献

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