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刚架拱桥动力分析与试验研究 夸春右 (聊城市公路工程总公司，山东 聊城 252000) 摘要：为检测刚架拱桥——慈广大桥的动力性能，通过有限元建立其空间模型并进行动力分析，获得该桥的理 论固有频率和振型，同时对该桥进行了动载试验研究。理论结果与试验结果比较分析表明，计算基频比实测基 频小。理论基频和实测基频的数值都比较大，表明该桥整体刚度较好 ，具有一定动力安全储备，结构动力特性 满足工程要求。 关 键 词：刚架拱桥 ；固有频率；振型；动力特性 中图分类号：U448．22 文献标识码：A 文章编号：1672-0032(2010)03-0036--06 慈广大桥位于湖北省宜昌市当阳县境 内，由主桥、慈化引道、窑湾引道、明渠小桥4部分组成，全长 638．13m。主桥 由7孔净跨45m的刚架拱组成，长362．01m。上部结构横向由3片拱肋组成，中距3．20 nl，两侧各净悬挑 1．775m，主拱腿截面宽 ×高为0．35m×0．9ITI，拱顶截面计算高为0．88In，肋厚为0．35 In。实腹段和主拱腿底部采用二次抛物线，桥面采用微弯板。下部结构中，3墩设置制动墩，基础采用沉 井基础，其它墩基础为桩基础，墩身为200钢筋混凝土空心墩。慈广大桥外观如图I所示。 图 I 慈广大桥外观照片 主桥结构材料为：拱片的主拱腿和实腹段采用400混凝土，其余构件和桥面采用300混凝土，墩身采 用 200混凝土，桩采用 250混凝土。桥面横 向布置为：1．5m(人行道)+净7．0m+1．5m(人行道)。原 桥设计荷载等级为：汽车一15，挂车一8O。 根据文献 [1—2]及该桥设计文件，结合桥梁特点拟定荷载试验方案，进行该桥主跨的静、动载试验 的外业工作，并对该桥进行空间动力分析和动载试验研究。 1 动力分析 慈广大桥动力计算模型采用空间有限元分析模式。计算模式选取的关键在于模拟结构的刚度、质量 分布和边界条件。结构的刚度模拟主要是指杆件的轴向刚度、弯曲刚度、剪切刚度、扭转刚度，同时也包 括翘曲刚度以及边界上的支座刚度等。结构的质量模拟主要是指杆件的平动质量和转动质量的模拟，由 于平动运动的特点，平动质量可以在某一平面内采取堆聚质量或一致质量来处理；由于惯性力与质量分 带隋况有关，因此转动质量必须根据结构杆件截面的形状特点来模拟L3]。边界条件的模拟应该与结构支 承状况相符，比如根据桥墩形状、支座形式模拟桥墩单元和单元刚度。 1．1 空间有限元计算理论 ¨ 据有限单元法原理，整桥三维 自由振动方程以矩阵形式表示为 缈+KY=0， (1) 式中 Y：{{，，Y，， ，。，y。}，‘…，{ ，Y， ，Ot， ， }。}； 为位移向量；K为全桥的整体质量矩 阵；缈为全桥的整体刚度矩阵。 取 y为简谐振动形式 Y：Asin(tot+Od)， (2) 式中 A为振幅矩阵。 将式 (2)代人式 (1)，可得 (M 一 。M)A=0． 由系数行列式等于零，得 I 一 I=0． 由此可得结构振动的特征值 f(=1，2，…，n)及与 ，相对应的特征向量A，(=1，2，…，n)，即第 阶振型。 由于子空间迭代法相对其它方法计算精度较高、结果可靠，而且当模型桥 自振频率非常接近或相等 时，可以避免其它方法收敛太慢的缺点，因此在求解固有频率和振型时采用该方法。 1．2 计算模型 采用通用程序建立模型进行空间动力分析计算，计算前先对结构进行某些假定和结构离散，全桥模 型包括 1220个节点和 1236个单元，模型如图2所示。 闺2 计算模型图 1．3 计算结果分析 1)频率分析 计算结果见表 1。 2)振型分析