摘要：中、下承式拱橋建筑造型極佳，在城市橋梁中往往受到青睞而成為城市的標志性建筑，目前仍在向更大跨徑、更大規模的方向發展，應用區域和范圍也在不斷擴大。但是，近些年來由于主客觀原因導致了一些中、下承式拱橋發生坍塌事故，造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。采用ANSYS有限元程序，建立該下承式鋼管混凝土拱橋的空間有限元計算模型，
　　分析不同吊桿損傷對橋梁自振特性的影響，計算結果表明，吊桿損傷對該拱橋的自振頻率影響較大，吊桿損傷導致橋梁豎向和扭轉自振頻率降低。計算結果可為橋梁使用階段的健康檢測和維護提供參考。
　　關鍵詞：拱橋；有限元法；自振；吊桿；
　　1引言
　　中、下承式拱橋建筑造型極佳，在城市橋梁中往往受到青睞而成為城
　　市的標志性建筑，目前仍在向更大跨徑、更大規模的方向發展，應用區域和范圍也在不斷擴大。但是，近些年來由于主客觀原因導致了一些中、下承式拱橋發生坍塌事故，造成了嚴重的人員傷亡和經濟損失。中、下承式拱橋主要由拱肋、橋面系及吊桿系3部分組成，其中吊桿系不但是主要的傳力(承力)構件，也是易損構件，中、下承式拱橋的斷橋與垮塌事故大多與吊桿的健康狀態有關，吊桿的損傷會引起吊桿拉伸剛度的變化，而拱橋橋面系可視為由吊桿彈性支承于拱肋上的一個超靜定結構，部分吊桿剛度的變化必然會引起中、下承式拱橋自振特性的變化[1]，因此，可以根據中、下承式拱橋自振特性的實測值相對其健康檔案中的標準值之變化，來對中、下承式拱橋的健康狀況進行診斷與評估。對中、下承式拱橋健康狀態做出正確判斷的關鍵一步是了解吊桿損傷后橋梁自振特性的變化，為中、下承式拱橋的健康檢測與診斷提供詳實資料。基于此，本文探討吊桿損傷對下承式鋼管混凝土拱橋自振特性的影響。
　　2橋梁結構計算有限元建模
　　某大橋主橋為下承式鋼管混凝土系桿拱橋，共有8跨，雙向8車道，上下行分離，單幅橋面凈寬21m，每跨橋墩中心距100m，計算跨徑95.5m，矢跨比1/4.5，拱軸線采用懸鏈線，拱軸系數1.347。拱肋采用2根φ1100mm×16mm焊接鋼管，之間采用2塊厚16mm腹板焊接形成高2.4m、寬1m的雙啞鈴形主拱肋，拱肋鋼管內澆注C5O混凝土，支座與第1根吊桿間的拱肋腹腔內澆注C5O混凝土，其余部分腹腔不澆注混凝土。系桿梁采用寬2.0m、高2.75m的預應力混凝土箱梁，橫梁采用預應力工字形組合梁，梁高2.2m，間距7.1m，兩端與預應力混凝土箱形截面系桿梁整澆在一起，系桿梁通過吊桿懸吊在鋼管混凝土拱肋上。每跨設12對吊桿，吊桿采用91φ7鍍鋅鋼絲。橋面采用預制Ⅱ形道板，上鋪80mm厚鋼筋混凝土現澆鋪裝層。上部結構通過盆式橡膠支座支承于鋼筋混凝土墩身上。2個平行肋拱間設置2道“K撐”和1道“一字撐”。
　　為分析該主橋單幅單跨的自振特性，采用有限元軟件ANSYS建模。該橋的拱肋與橫撐雖采用雙啞鈴形截面，但根據文獻[2]試驗結果，其橫截面基本滿足平截面假定，計算時可對其進行相應簡化，用通過雙啞鈴形截面形心的梁單元模擬。根據計算經驗[3-6]，系桿梁、橫梁、拱肋和橫撐等構件均采用空間梁單元(BEAM4)進行離散；吊桿采用只承受拉力的空間桿單元(LINK1O)模擬；將預制鋼筋混凝土Ⅱ形道板離散為2種單元，把板肋看作橋面系的縱梁，用空間梁單元(BEAM4)模擬，而板肋之間的橋面板用板殼單元(SHELL63)模擬，橋梁空間有限元計算模型見圖1。計算模型節點總數為1002個，單元總數2O12個，其中空間梁單元1064個，空間桿單元24個，空間板殼單元924個。橋梁邊界條件按一端鉸支，另一端滑動處理。計算采用的材料常數根據橋梁相關規范確定。拱肋鋼管混凝土以混凝土及鋼材的實際用量計算其平均密度值，拱肋截面剛度EA、EI根據文獻[7]所推薦的公式計算確定。

　　3計算結果及其分析
　　橋梁結構的自振特性主要包括自振頻率和振型等，它們是進行橋梁結構動力分析的重要參數和橋梁抗震設計的基礎，在橋梁鑒定和驗收規范中對橋梁的豎向和橫向自振頻率的限值均有一定的規定，正確計算橋梁結構的自振特性對橋梁結構的正常維護也具有十分重要的意義。根據大橋主橋的實際特點，分8種工況計算了該橋的自振特性(注：上游方向拱肋為外側，吊桿編號用D表示，下游方向為內側，吊桿編號用d表示)：工況1，橋梁完好狀態；工況2，去除外側1/4跨位置處吊桿(去除D3、D10吊桿)；工況3，去除外側跨中位置處吊桿(去除D6、D7吊桿)；工況4，去除對稱1/4跨位置處吊桿(去除D3、d3吊桿)；工況5，去除對稱跨中位置處吊桿(去除D6、d6吊桿)；工況6，去除斜對稱1/4跨位置處吊桿(去除D3、dl0吊桿)；工況7，去除斜對稱跨中位置處吊桿(去除D6、d7吊桿)；工況8，去除外側1/4跨位置處1根吊桿(去除D3吊桿)。
　　在結構自振特性分析中，一般情況下結構前幾階自振頻率和振型起控制作用，所以，只需求結構的前幾階自振頻率和振型，本文計算了該橋梁前1O階自振特性。表1列出了橋梁完好狀態吊桿沒有損傷工況下的自振頻率和振型特征，表2列出了吊桿損傷工況下的自振頻率，及其相對于工況1頻率的變化率D(百分比)，D：(本工況自振頻率計算值一對應工況1自振頻率計算值)／對應工況1自振頻率計算值。圖2、圖3給出了工況8所對應的橋梁部分振型。

　　表1橋梁完好狀態下的自振頻率及振型特征

　　
　　表2各工況吊桿損傷狀態下橋梁的自振頻率f及變化率D
　　振型

　　根據以上7種吊桿損傷工況計算得到的自振頻率計算結果可以看出：對于該拱橋，吊桿損傷對該橋低階自振頻率影響較小，而對第4階、第8階自振頻率影響相對較大，這2階振型分別是以橋梁的豎向振動和扭轉振動為主，其他各階自振頻率變化較小。由于吊桿是構成該類橋型整體剛度特別是豎向和扭轉剛度的重要組成部分，因此，吊桿損傷對該橋的豎向振動和扭轉振動影響較大。從吊桿損傷各工況前10階自振頻率計算結果可以看出，跨中吊桿損傷比1/4跨處吊桿損傷對該橋的自振頻率影響大。吊桿的損傷對橋梁橫向自振頻率影響較小。
　　4結論與建議
　　本文根據某大橋主橋的實際特點，分8種工況計算了該橋的自振特性，分析了多種吊桿損傷工況下該橋的自振頻率變化規律，計算結果表明：
　　(1)吊桿的損傷對該拱橋豎向和扭轉振動的自振頻率影響較大，拱橋吊桿的損傷將導致橋梁豎向和扭轉振動自振頻率的降低，可見吊桿的完好對整橋的安全性至關重要；
　　(2)吊桿的損傷對橋梁橫向振動頻率影響較小，計算結果符合物理概念。
　　根據實測的橋梁自振頻率值與橋梁健康狀態下對應量的變化，再結合其他吊桿損傷檢測技術，可綜合判別出中、下承式拱橋吊桿的工作狀態，這樣可節約橋梁常規檢測時間和內容，便于橋梁養護。建議在布置傳感器時，考慮吊桿損傷對中、下承式拱橋振動頻率的影響，來優化布置傳感器，使有限測點的傳感器布點最優，否則有些吊桿損傷引起的橋梁振動特性的變化不能被測試得到。
　　
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