超高異形橋塔及支架自振特性研究

王建兵，趙陽(yáng)，王瑞康，曾平

（北京鐵辰工程監(jiān)理有限公司 工程管理部，北京 100084）

0 引言

隨著橋梁建設(shè)的快速發(fā)展，橋梁工程中出現(xiàn)了越來(lái)越多的異形橋塔。異形橋塔在外觀上滿足了人們對(duì)美的追求，但其受力復(fù)雜，給施工帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。因此，必須對(duì)施工過(guò)程中異形橋塔和臨時(shí)支架進(jìn)行研究［1-2］。孫立軍等［3］采用ANSYS軟件建立異形塔和支架的有限元模型，分別對(duì)懸臂拼裝法和支架法施工時(shí)塔的應(yīng)力及線形進(jìn)行了分析。衛(wèi)軍等［4］采用ANSYS軟件模擬橋塔施工全過(guò)程，分析臨時(shí)橫撐和塔柱的位移與應(yīng)力。黎世勇等［5］從結(jié)構(gòu)性能構(gòu)造上，對(duì)異形塔柱進(jìn)行了力學(xué)性能分析，并對(duì)主要設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。不同異形橋塔具有不同外形和受力情況，因此，現(xiàn)有的研究均是針對(duì)某一具體工程進(jìn)行研究［6］。超高異形橋塔無(wú)法參考已有研究進(jìn)行設(shè)計(jì)和施工控制，因此應(yīng)對(duì)其進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)研究分析。因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在各種動(dòng)荷載作用下的內(nèi)力響應(yīng)均由結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定，所以在進(jìn)行動(dòng)力分析之前，應(yīng)先對(duì)其進(jìn)行模態(tài)分析。在此以某超高異形橋塔為例，分析橋塔和臨時(shí)支架的自振特性。

1 工程概況

某橋塔的外形為傾斜的拱形結(jié)構(gòu)，橋面以上垂直塔高約73.4 m，整塔傾斜角度約為69°，單側(cè)塔柱傾斜角度為南塔約77°、北塔約61°。橋塔根部設(shè)有拱形門(mén)洞供人行步道及機(jī)動(dòng)車(chē)通過(guò)。橋塔迎車(chē)面的拉索部分設(shè)凹槽，減小截面過(guò)大帶來(lái)的外觀影響。

1.1 施工重難點(diǎn)

（1）超高：橋塔高73.4 m，全鋼結(jié)構(gòu)，總用鋼量超過(guò)5 770 t；

（2）異形：整個(gè)橋塔沒(méi)有對(duì)稱(chēng)軸和對(duì)稱(chēng)面，施工過(guò)程荷載、變形均存在不對(duì)稱(chēng)性；

（3）要求高：施工質(zhì)量要求高，控制嚴(yán)，橋塔施工線形誤差不超過(guò)H/4 000，是正常施工外觀要求L/400的10倍。

1.2 施工方案

針對(duì)施工中的重難點(diǎn)，確定該橋塔的臨時(shí)支架方案如下：

（1）支架選材：臨時(shí)支架均采用Q345 直縫埋弧焊鋼管，超高異形橋塔施工臨時(shí)支架采用格構(gòu)柱式鋼支架，格構(gòu)柱的節(jié)間高度約800 cm，立柱間距200～700 cm。支架立柱鋼管采用φ810-12 mm 的鋼管。格構(gòu)柱的綴條（剪刀撐）均采用φ530-10 mm 鋼管。支架鋼管立柱通過(guò)橫撐和斜撐連接為一個(gè)整體，形成雙層網(wǎng)殼。立柱之間采用法蘭盤(pán)高強(qiáng)螺栓連接，立柱與基礎(chǔ)采用Q235 地腳錨栓連接，立柱與剪刀撐采用相貫焊接。

（2）支架布置：整個(gè)支架共設(shè)置9排鋼管立柱，立柱支點(diǎn)為對(duì)應(yīng)節(jié)段頂面下口向下約150 cm 的位置（見(jiàn)圖1）。支架設(shè)計(jì)總用鋼量約為576 t（見(jiàn)表1、表2）。

圖1 橋塔支架的示意圖

表1 橋塔支架橫/斜撐材料用量

表2 橋塔支架立柱材料用量

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

在進(jìn)行內(nèi)力分析前，必須先對(duì)模型的動(dòng)力特性進(jìn)行分析，以便對(duì)模型的可靠性做定性分析。

2.1 模型建立

橋塔模型由南北塔肢各10 個(gè)節(jié)段和中間1 個(gè)合龍段組成，在南北塔肢底部的前5個(gè)節(jié)段的截面尺寸和剛度均較大，而節(jié)段長(zhǎng)度較短，因此，為方便建模，在分析模型中，分別將南北塔肢的前5 個(gè)節(jié)段合成一1 個(gè)節(jié)段建立模型，并將橋塔合龍段分成南北2段。這樣劃分節(jié)段后，在ANSYS 分析模型中，南北塔肢各有7 個(gè)節(jié)段。橋塔采用beam4單元模擬，塔的形狀根據(jù)不同節(jié)段剖面形狀求得截面參數(shù)，橋塔有限元模型南北肢的第6、7 節(jié)段各劃分為10 個(gè)單元，其他每個(gè)節(jié)段均劃分為5 個(gè)單元，橋塔有限元模型共劃分為90 個(gè)單元。支架采用beam188 單元模擬，每個(gè)節(jié)間劃分為5 個(gè)單元，支架有限元模型由2 802個(gè)單元組成。

在分析模型中，橋塔底部采用固結(jié)方式模擬，支架立柱底部與基礎(chǔ)也采用固結(jié)的連接方式，支架頂部與橋塔連接處采用鉸接方式，只約束Y 向平動(dòng)自由度，釋放Z 向和X 向平動(dòng)自由度及三向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，結(jié)構(gòu)ANSYS 模型見(jiàn)圖2。

2.2 模態(tài)分析

對(duì)橋塔進(jìn)行模態(tài)分析，分析結(jié)果見(jiàn)圖3—圖7?？梢?jiàn)：橋塔的1階振型為縱向振動(dòng)，頻率為1.47 Hz；2階振型為豎向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，頻率為3.06 Hz；3階振型為橫向振動(dòng)，頻率為3.18 Hz；4階振型為縱向二階振動(dòng)，頻率為5.23 Hz；5階振型為橫向?qū)ΨQ(chēng)振動(dòng)，頻率為6.28 Hz。

圖2 橋塔-支架有限元模型

2.3 支架模態(tài)分析

圖3 橋塔的1階振型

圖4 橋塔的2階振型

圖5 橋塔的3階振型

圖6 橋塔的4階振型

圖7 橋塔的5階振型

在ANSYS 分析模型中，支架立柱底部與基礎(chǔ)采用固結(jié)的連接方式，支架頂部自由。橋塔支架的前5 階振型及頻率見(jiàn)圖8—圖12?？梢?jiàn)：1 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 排為主的整體縱向振動(dòng)，頻率為1.11 Hz；2 階振型為以ATN7、ATN8、ATN9 排為主的整體縱向振動(dòng)，頻率為1.99 Hz；3 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10、HLD 為主的二階縱向振動(dòng)，頻率為2.83 Hz；4 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 為主的二階縱向振動(dòng)和以ATN9、ATN10 為主的二階橫向振動(dòng)，頻率為3.65 Hz；5 階振型為以ATS9、ATS10和ATN8、HLD、ATN9 為主的三階橫向振動(dòng)，頻率為3.90 Hz。

2.4 橋塔+支架模態(tài)分析

圖8 支架的1階振型

圖9 支架的2階振型

圖10 支架的3階振型

圖11 支架的4階振型

圖12 支架的5階振型

在ANSYS 分析模型中，橋塔底部采用固結(jié)方式，支架立柱底部與基礎(chǔ)也采用固結(jié)連接方式，支架頂部與橋塔連接處采用鉸接方式，只約束Y 向平動(dòng)自由度，釋放Z 向和X 向平動(dòng)自由度及三向轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。橋塔+支架的前5 階振型及頻率見(jiàn)圖13—圖17?？梢?jiàn)：1 階振型為以ATS8、ATS9、ATS10 為主的一階縱向振動(dòng)，頻率為1.29 Hz；2 階振型為以ATN8、ATN9 和ATS8、ATS9 為主的二階縱向振動(dòng)，頻率為2.05 Hz；3階振型為以ATN8、ATN9、ATN10為主的二階橫向振動(dòng)，頻率為2.48 Hz；4階振型為橋塔的一階橫向振動(dòng)，頻率為2.88 Hz；5 階振型為以ATN8、ATN9、ATN10、HLD 為主的三階縱向振動(dòng)，頻率為3.15 Hz。

圖13 橋塔+支架的1階振型

圖14 橋塔+支架的2階振型

圖15 橋塔+支架的3階振型

圖16 橋塔+支架的4階振型

圖17 橋塔+支架的5階振型

3 結(jié)論

以某超高異形橋塔為例，利用有限元軟件ANSYS對(duì)橋塔和臨時(shí)支架進(jìn)行模態(tài)分析，分別列出橋塔、支架及橋塔+支架的前5 階振型及頻率，得到以下主要結(jié)論：

（1）橋塔的1 階振型為縱向振動(dòng)，2 階振型為豎向扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，3 階振型為橫向振動(dòng)，4 階振型為縱向二階振動(dòng)，5 階振型為橫向?qū)ΨQ(chēng)振動(dòng)。橋塔的前5 階振型中出現(xiàn)了豎向扭轉(zhuǎn)，應(yīng)予以重視。

（2）支架的1 階振型為縱向振動(dòng)，2 階振型為縱向振動(dòng)，3 階振型為二階縱向振動(dòng)，4 階振型為二階縱向振動(dòng)和二階橫向振動(dòng)的組合，5 階振型為三階橫向振動(dòng)。

（3）橋塔+支架的1 階振型為一階縱向振動(dòng)，2 階振型為二階縱向振動(dòng)，3 階振型為二階橫向振動(dòng)，4 階振型為一階橫向振動(dòng)，5階振型為三階縱向振動(dòng)。