郑州北环快速路铁路跨线大桥动力特性分析

许瑞峰

（郑州市市政工程质量监督专业站，河南 郑州450000）

1 桥梁有限元建模

建立正确的桥梁动力计算模型是进行桥梁结构动力分析的基础，良好的桥梁动力计算模型应能正确模拟结构的刚度、质量和边界条件，尽量与实际结构相符。为了能较为准确地反映北环快速路铁路跨线大桥主桥的动力特性，本文采用MIDAS/Civil空间有限元程序建立该桥梁的动力计算模型：主梁采用空间弹性梁单元的单主梁模型来模拟，即把桥面系的刚度（拉伸刚度、竖向抗弯刚度、横向抗弯刚度、自由扭转刚度）和质量（平动质量和转动质量）都集中在中间节点上，节点和钢管之间采用刚臂连接或处理为主从关系。在动力计算中不考虑钢管垂度对钢管刚度的影响；桥塔、桥墩及桥墩间横向联系采用空间弹性梁单元来模拟，不考虑桩基础对整个结构的影响。桥塔与主梁之间用刚性连接来模拟塔梁固结，中间桥塔处主梁与桥墩之间约束全部6个自由度来模拟梁墩固结，其他桥塔处主梁与桥墩之间释放顺桥向位移来模拟双向活动支座。桥墩根部固结，边跨不再设桥墩，释放顺桥向位移和绕横桥向旋转自由度来模拟桥梁支座。

表1 桥梁自振频率和振型特征

2 计算结果及其分析

动力特性主要包括自振频率及主振型等，其中低阶振型对结构起控制作用。借助MIDAS/Civil有限元程序，采用子空间迭代法求解北环快速路铁路跨线大桥主桥的动力特性，得出该桥梁前40阶的自振频率、周期和振型，由于振型比较集中，特别是桥塔振动比较集中，限于篇幅文中只给出前12阶及典型振型的自振频率和振型，计算结果列于表1，由计算结果可以看出北环快速路铁路跨线大桥主桥振型主要特点：

2.1 该桥梁的基本周期为1.643s，第1阶振型为桥面系的一阶反对称竖向振动振型，该振型对斜拉桥的地震响应和抗风稳定性有很大影响，也对车辆的振动反应有较大影响。竖向振动振型的出现顺序取决于桥梁的宽跨比，宽跨比大的桥梁，其第1阶竖向振动出现在前，宽跨比小的桥梁，它的第1阶竖向振动出现在后。

2.2 该桥梁桥塔反对称侧向振动出现在第3～9阶，桥塔的对称侧向振动出现在第10～16阶。在斜拉桥结构体系中，对桥塔横向地震反应贡献最大的是以桥塔振动为主的振型（桥塔的对称侧向振动和反对称侧向振动），一般出现在第3阶、第4阶振型，北环快速路铁路跨线大桥主桥符合这种规律，并且桥塔振动的自振频率非常接近，振型较为集中。

2.3 斜拉桥桥面系第1阶扭转自振频率也是被关注的频率，它的大小与斜拉桥的颤振临界风速有很大关系，因为扭转振型在斜拉桥的颤振中占主要成分，临界风速基本上与第1阶扭转频率成线性关系，即第1阶扭转频率越高，颤振临界风速也越大。从抗风的角度考虑，希望桥面第1阶扭转频率与桥面的第1阶竖弯频率的比值大一些，这样斜拉桥的颤振临界风速就会高些，桥梁的气动稳定性也就越好。北环快速路铁路跨线大桥主桥第1阶扭转频率出现在第31阶，频率为2.4408Hz，它与桥面第1阶竖弯频率之比为4.01，表明该桥梁有良好的气动稳定性。

2.4 人体对振动比较敏感的频率范围为2～6Hz，该桥梁的自振特性表明，其前15阶自振频率均不超过1Hz，不在该范围内；另一方面，载货汽车的基本频率一般都在2.5～3.5Hz之间，而该桥梁的竖向第1阶自振频率仅为0.6086Hz，离该范围比较远，因此可以得出：该矮塔斜拉桥的基频不在人体较敏感的范围内，车辆荷载不会引起桥梁明显的结构振动效应。

2.5 该桥梁前15阶振型有两阶为桥面系竖向振动，其余均为桥塔的侧弯振型，并且振型比较集中，频率差别不大，表明该桥面内基频小于面外基频，符合钢管混凝土土桥的特性。

3 结语

根据北环快速路铁路跨线大桥主桥的结构特点，借助MIDAS/Civil有限元程序，采用子空间迭代法对该预应力混凝土多跨矮塔斜拉桥进行了空间动力特性计算。计算结果表明，该桥梁的低阶振动主要表现为桥面系的整体竖向振动和桥塔的横向振动，桥梁结构的自振周期较大，振型较为密集，桥面整体竖向振动出现比较早，桥梁有良好的气动稳定性。计算结果可为该桥的设计、施工提供参考，也可为该桥梁在成桥运营过程中的健康监测和维护提供基础性数据。

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