基础沉降对城市吊杆拱桥自振特性的影响研究

基础沉降对城市吊杆拱桥自振特性的影响研究

徐鹏

（天津市城市道路桥梁管理事务中心，天津， 300171）

摘要：桥梁结构的结构自振特性只与结构本身的固有性质有关，是桥梁结构振动系统的基本特征。本文中以某城市吊杆拱桥为例，通过有限元模型分析了不同基础沉降条件下桥梁自振特性的变化情况。结果表明，不同基础沉降条件下对自振频率有一定的影响，对振型未有明显影响；其中，单边沉降和对角沉降对自振频率的影响更显著。

关键词：吊杆拱桥；基础沉降；自振频率；振型.

1 引言

吊杆拱桥因具有结构受力合理、造价经济、桥型美观、与周围环境协调性好等优点，在城市道路桥梁建设中得到广泛应用。为适应城市规划的需求，城市吊杆拱桥通常采用系杆型式，以此消除对基础（即拱脚基础）的水平推力，使得吊杆拱桥的基础仅需满足竖向承载性能。此时，基础的竖向沉降就成为了吊杆拱桥下部结构的主要病害之一。尤其是对于建造在软土、河滩及河床上的吊杆拱桥，基础易出现不均匀沉降，从而导致桥梁结构性能发生变化。

结构动力学研究已表明：桥梁结构的结构自振特性只与结构本身的固有性质有关（如结构的组成形式、刚度、质量分布、材料性质、边界条件等），而与荷载等其他条件无关，是桥梁结构振动系统的基本特征。桥梁结构的自振特性包括频率、振型和阻尼比等3个参数。通过实桥测试，了解桥跨结构的动力特性，可用于结构动力特性评价及桥梁抗风、抗震评估。同时，也可作为对结构损伤识别或质量评定的依据，并为桥梁运营养护管理提供必要的数据和资料。

本文中以某城市吊杆拱桥为例，通过有限元模型研究了基础沉降对桥梁自振特性的影响。

2 工程概况

某城市吊杆拱桥修建于2008年，为城市主干道跨河桥。该桥采用桁架式拱肋钢主梁三跨中承式拱梁组合桥形式，桥跨组合为13.17m+146m+13.21m=172.38m。桥梁结构布置如图2-1所示。

桁架拱、主梁均采用Q345qD钢材。主要结构信息如下：

（1）桁架式钢拱肋：桁架拱跨径146m，矢高31.924m，矢跨比1/4.57。拱结构水平推力通过边跨斜撑传递至主梁内，水平拉力由主梁承担，基础底面不承受在恒载、活载及温度荷载产生的水平推力。主拱采用两片平行的钢桁架拱肋，相距24.5m，两片拱肋之间用风撑连接。桁架拱片由上下弦杆和腹杆组成，上、下弦杆采用焊接箱型断面，中间腹杆为工字形断面。

（2）吊杆：采用单根PE护层高强钢丝索，吊杆间距8m。

（3）主梁：采用焊接箱型断面，高度1.8m、宽度1m；吊杆下设横梁，间距8m；钢桥面采用正交异性板桥面。

（4）基础：主拱圈的基础为拱座和承台，下设桩基础，采用φ1800的钻孔灌注桩。

（5）支座：拱脚支座设置为盆式橡胶支座，允许一定的转角，并在纵桥向与横桥向设置单向滑动支座和双向滑动支座；主桥支座采用GPZ（II）25型盆式橡胶支座。

3 有限元模型及设计自振特性

采用midas Civil进行有限元建模，其中桁架拱圈的各杆件均采用桁架单元，主梁各纵、横梁及桥面板加劲肋均采用一般梁单元，桥面板采用板单元，吊杆采用索单元。桁架和主梁中钢材，以及吊杆的材质参数为：弹性模量E_s=2.06×10⁵MPa，泊松比μ_s=0.3。有限元模型如下图所示。

经计算，设计状态下的结构自振特性如下图所示。

4 基础沉降的影响分析

该桥的四个拱脚基础位于河床上，且正常运营状态下的竖向力较大，易出现基础沉降情况；其他四个桥头立墩基础位于陆地上，且竖向力较小。分析中，只考虑的主拱圈基础沉降共四种情况，如下图所示，包括：整体沉降（D₁）、单侧沉降（D₂）、单边沉降（D

₃）和对角沉降（D₄），沉降量分别取：2cm、5cm、10cm、20cm及30cm等。

主拱圈拱脚基础发生不同沉降条件下的自振频率变化情况如图4-2~4-5所示。分析结果表明：

（1）基础沉降对自振频率的影响幅度最大不超过5%

（2）相比整体沉降和单侧沉降条件，当主拱圈基础发生单边沉降和对角沉降条件下，自振频率的变化较大；

（3）基础出现整体沉降时，第1阶横向振型、第5阶扭转振型及第7阶竖向振动的频率值对基础沉降的敏感度较高；

（4）基础出现单侧沉降时，第2阶竖向振型对基础沉降的敏感度较高；

（5）基础出现单边沉降时，第1阶横向振型、第5阶扭转振型的频率值对基础沉降的敏感度较高；

（6）基础出现对角沉降时，第1阶横向振型、第5阶扭转振型、第6阶扭转振型及第8阶扭转振动的频率值对基础沉降的敏感度较高。

此外，经分析，各阶自振的振型均未受基础沉降的明显影响。

5 结语

本文中以某城市吊杆拱桥为例，通过有限元模型研究了不同基础沉降条件下桥梁自振特性的变化情况。结果表明，不同基础沉降条件下对自振频率有一定的影响，对振型未有明显影响；其中，单边沉降和对角沉降对自振频率的影响更显著。

参考文献

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