旦— 生 ）＿一 Ｃｈｉｎａ Ｎｅｗ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ 工程技术 郑州北环快速路铁路跨线大桥动力特性分析 ｉ年瑞峰 （郑州市市政工程质量监督专业站，河南郑州４５００００） 摘要：北环快速路铁路跨线大桥始建于１９９４年，由４座大的拱桥构成，跨度３２０多米，最高处ｌ５米，连同引桥长约２．１公里，在钢 体拱形桥中全国位居第一，成为郑州一道风景。本文以该桥为研究对象，借助ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ有限元程序建立了该桥梁空间有限元计算 模型，采用子空间迭代法计算了桥梁的动力特性。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。由于该桥梁宽跨比较大，桥面整体竖向振动出现比较早，桥梁的第ｌ阶扭转频率 与第１阶竖弯频率之比为４．Ｏ１，表明该桥梁具有良好的气动稳定性。计算结果丰富了钢管混凝土桥动力研究的内容，所得数据可为 该桥在健康监测和维护提供参考。 关键词：动力特性；有限元模型；分析；边界条件；梁模型 １桥梁有限元建模 较集中，限于篇幅文中只给出前１２阶及典型 定性也就越好。北环快速路铁路跨线大桥主 建立正确的桥梁动力计算模型是进行桥 振型的自振频率和振型，计算结果列于表１， 桥第１阶扭转频率出现在第３ｌ阶，频率为２． 梁结构动力分析的基础，良好的桥梁动力计 由计算结果可以看出北环快速路铁路跨线大 ４４０８Ｈｚ，它与桥面第１阶竖弯频率之比为４． 算模型应能正确模拟结构的刚度、质量和边 桥主桥振型主要特点： ０１，表明该桥梁有良好的气动稳定性。 界条件，尽量与实际结构相符。为了能较为准 ２．１该桥梁的基本周期为１．６４３ｓ，第１阶 ２．４人体对振动比较敏感的频率范围为 确地反映北环快速路铁路跨线大桥王桥的动 振型为桥面系的一阶反对称竖向振动振型， ２－６Ｈｚ，该桥梁的自振特性表明，其前１５阶自 力特性，本文采用ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ空间有限元程 该振 对斜托桥的地震响应和抗风稳定性有 振频率均不超过ＩＨｚ，不在该范围内；另一方 序建立该桥梁的动力计算模型：主梁采用空 很大影响，也对车辆的振动反应有较大影响。 面，载货汽车的基本频率一般都在２．５—３． 间弹性梁单元的单主梁模型来模拟，即把桥 竖向振动振型的出现顺序取决于桥梁的宽跨 ５Ｈｚ之间，而该桥梁的竖向第ｌ阶自振频率 面系的刚度（拉伸刚度、竖向抗弯刚度、横向 比，宽跨比大的桥梁，其第１阶竖向振动 现 仅为０．６０８６Ｈｚ，离该范围比较远，因此可以 抗弯刚度、自由扭转刚度）和质量（平动质量 在前，宽跨比小的桥梁，它的第１阶竖向振动 得出：该矮塔斜拉桥的基频不在人体较敏感 和转动质量）都集中在中间节点上，节点和钢 现在后。 的范围内，车辆荷载不会引起桥梁明显的结 管之间采用刚臂连接或处理为主从关系。存 ２＿２该桥梁桥塔反对称侧向振动出现在 构振动效应。 动力计算中不考虑钢管垂度对钢管刚度的影 第３～９阶，桥塔的对称侧向振动 现在第 ２．５该桥梁前ｌ５阶振型有两阶为桥面 响；桥塔、桥墩及桥墩间横向联系采用空间弹 １０～１６阶。存斜拉桥结构体系中，对桥塔横向 系竖向振动，其余均为桥塔的侧弯振型，并且 性梁单元来模拟，不考虑桩基础对整个结构 地震反应贡献最大的是以桥塔振动为主的振 振型比较集中，频率差别不大，表明该桥面内 的影响。桥塔与主梁之间用刚性连接来模拟 型（桥塔的对称侧向振动和反对称侧向振 基频小于面外基频，符合钢管混凝土土桥的 塔粱固结，中间桥塔处主梁与桥墩之间约束 动），一般出现在第３阶、第４阶振型，北环快 特性。 全部６个自由度来模拟梁墩固结，其他桥塔 速路铁路跨线大桥主桥符合这种规律，并且 ３结语 处主梁与桥墩之间释放顺桥向位移来模拟双 桥塔振动的自振频率非常接近，振 较为集 根据北环快速路铁路跨线大桥主桥的结 向活动支座。桥墩根部固结，边跨不再设桥 中。 构特点，借助ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ有限元程序，采用 墩，释放顺桥向位移和绕横桥向旋转自由度 ２－３斜拉桥桥面系第１阶扭转自振频率 子空间迭代法对该预应力混凝土多跨矮塔斜 来模拟桥梁支座。 也是被关注的频率，它的大小与斜拉桥的颤 托桥进行了空间动力特性计算。计算结果表 ２计算结果及其分析 振临界风速有很大关系，因为扭转振型在斜 明，该桥梁的低阶振动主要表现为桥面系的 动力特性主要包括自振频率及主振型 拉桥的颤振中占主要成分，临界风速基本上 整体竖向振动和桥塔的横向振动，桥梁结构 等，其中低阶振型对结构起控制作用。借助 与第１阶扭转频率成线性关系，即第１阶扭 的自振周期较大，振型较为密集，桥面整体竖 ＭＩＤＡＳ／Ｃｉｖｉｌ有限元程序，采用子空间迭代法 转频率越高，颤振临界风速也越大。从抗风的 向振动出现比较早，桥梁有良好的气动稳定 求解北环快速路铁路跨线大桥主桥的动力特 角度考虑，希望桥面第ｌ阶扭转频率与桥面 性。计算结果可为该桥的设计、施工提供参 性，得出该桥梁前４０阶的自振频率、周期和 的第１阶竖弯频率的比值大一些，这样斜拉 考，也可为该桥梁在成桥运营过程中的健康 振型，由于振型比较集中，特别是桥塔振动比 桥的颤振临界风速就会高些，桥梁的气动稳 监测和维护提供基础性数据。 参考文献 表１桥梁自振频率和振型特征 『１１黄坤耀．双塔连体结构的静力、抗震和抗风 撮型阶扶 囊事（Ｈｚ） 周期（ｓ） 振舞特征 分析ｆ ．浙江大学，２００１年． １ ０．６０８６０１ １．６４３１１４ 桥面系竖向ｉ阶反对称振动 『２１熊峰．钢管混凝土拱桥抗震性能研究【Ｄ】．四 ２ ０．７０３１２３ １．４２２２２６ 桥面系竖向１阶正对称振动 川大学．２００２年． ３ ０．７２４６１ １．３８００５３ ｚ～６号桥塔面外ｌ阶反对称振动 【３】胡安峰．桩基水平振动理论与性状研究【Ｄ】， ４ ０．７２４６１４ １．３８００４５ ２、３、５、６号桥塔面井ｌ阶反对称振动 浙江大学，２００２年． ５ ０．７２４６２ １．３８００３４ ｌ、２…４ ６ ７号桥塔面外ｌ阶反对称振动 ｆ４１张望喜．混凝土地基板静、动力特性试验与 ６ ０．７２４６３８ １．３７９９９９ Ｉ～３，５～７号桥塔面外１阶反对称振动 研究ｆＤ１．湖南大学，２００２年． ７ Ｏ．７２４６５９ １ ３７９９６ １、３～５、７号桥塔面外ｌ阶反对称振动 『５１宋雨．文晖大桥健康监测与评估管理系统 ８ Ｏ．７２４６９ｌ ｌ＿３７９８９８ １、２、５、６号桥塔面外１阶反对称振动 主要问题研究［Ｄ］．浙江大学，２００３年． ９ ０．７２４６９６ １ ３７９８８９ Ｉ～７号桥塔面外１阶反对称振动 『６】詹伟东．葵花型索穹顶结构的理论分析和 １Ｏ ０．？２５３６９ １．３７８６０８ １、３、５、７号桥塔面外Ｉ阶正对称振动 试验研究『Ｄ１．浙江大学，２００４年． １１ ０．？２８３６９ Ｉ．３７Ｓ６０８ 】、２…４ ５ ７号桥塔爵外１骱正对称振动 ｌ２ ０．７２５３６９ １．３７８６０８ １～３、５～７号桥塔面外１阶正对称振动 作者简介：许瑞峰（１９７４一）男、河南上蔡 ３１ ２．４４０８０６ ０．４０９７０１ 桥面系１阶反对称扭转 人，主要从事道路桥粱工程质量监督与管理 ３２ ２．５２４１０７ ０．３９６１８Ｏ 桥面系２阶正对称扭转 工作。 一１ １２一 中国新技术新产品