六跨廊橋動力特性分析

黃家建

（廣西柳州市城市投資建設發(fā)展有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

廊橋作為一種由橋、亭、廊等結構組成的橋梁，集交通、景觀和商業(yè)等諸多功能于一體，結構獨特，造型優(yōu)美，功能豐富。我國的湘桂黔侗族地區(qū)仍保存有大量的古代廊橋[1]。

與普通橋梁不同，廊橋上部通常加蓋了亭閣、長廊等結構。在研究地震、風和車輛等荷載對廊橋的作用時，不僅要關注廊橋主體的結構響應，還要考慮廊橋上部結構的安全性及其對整體的影響[2-6]。呂偉榮等[7]計算了木拱廊橋在人群荷載下的結構內(nèi)力和撓度。歐加加[8]探究了廊橋主拱結構節(jié)點的傳力機理。謝楊[9]研究了廊橋上部結構形式對結構地震響應的影響。楊培森[10]分析了上部廊屋結構對廊橋自振特性的影響。然而，現(xiàn)有研究多針對廊橋的結構內(nèi)力分析方面，對其動力特性的研究，尤其是廊橋上風雨亭動力特性的研究較少。本文以廣西柳州鳳凰嶺大橋為研究對象，采用有限元軟件建立了鳳凰嶺大橋的結構模型，分析了其動力特性，并單獨對橋上的四角風雨亭、六角風雨亭和八角風雨亭進行了模態(tài)分析。

1 工程概況

鳳凰嶺大橋是一座連接柳州市柳北區(qū)與柳東新區(qū)的公軌兩用大橋，中間設置城市軌道交通，兩側(cè)為雙向6 車道的機動車道和人非車道。全橋共長700 m，跨徑布置為90 m+130 m×4+90 m。主橋上共建有5個極具侗族風格的風雨亭，其樣式從橋頭至跨中分別是四邊五層、六邊七層和八邊七層，高度依次為27.9 m、39.4 m 和43.6 m，亭間用橋廊相連。全橋平立面布置如圖1 所示。主梁采用等截面雙箱鋼混疊合梁，梁高6.5 m，橋面寬度為46.6 m。主梁斷面如圖2所示。

圖1 鳳凰嶺大橋平立面布置圖

圖2 主梁斷面圖（單位：mm）

2 有限元總體模型及動力特性分析

根據(jù)設計圖紙建立了鳳凰嶺大橋的全橋有限元模型，如圖3 所示。主梁和橋墩采用梁單元模擬；風雨亭采用殼單元模擬，風雨亭與主梁固結。采用質(zhì)量單元模擬主橋上的人行道欄桿、二期恒載等橋面附屬設施的質(zhì)量。除了中墩施加橫橋向、順橋向和豎向約束外，其余各墩均只施加橫橋向和豎向約束。

圖3 鳳凰嶺大橋有限元模型

對鳳凰嶺大橋進行動力特性分析，取其前10 階頻率列于表1。從表1 中可以看到，鳳凰嶺大橋主梁1 階反對稱豎彎頻率為0.9387 Hz；主梁1 階正對稱扭轉(zhuǎn)頻率為1.6647 Hz。圖4 繪制了主梁部分豎彎和扭轉(zhuǎn)振型。從圖4 中可以看出鳳凰嶺大橋發(fā)生豎彎振型時，風雨亭和主梁共同變形；當主梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型時，風雨亭產(chǎn)生了橫橋向彎曲振型。

表1 鳳凰嶺大橋動力特性

圖4 鳳凰嶺大橋部分振型

3 風雨亭動力特性分析

鳳凰嶺大橋主梁上部建有三種形態(tài)各異的風雨亭結構。其在地震、風等荷載作用下的結構響應也會影響到橋梁主體的安全性和適用性。全橋模型中不易識別三種風雨亭的模態(tài)，所以單獨建立了四角風雨亭、六角風雨亭和八角風雨亭的有限元模型，如圖5 所示。然后對三種風雨亭進行了模態(tài)分析。分析中，亭柱均設置為固結約束。

圖5 四角風雨亭、六角風雨亭和八角風雨亭有限元模型

表2 中分別記錄了四角風雨亭、六角風雨亭和八角風雨亭的前10 階頻率和振型描述。從表2 中可以看出：（1）三種風雨亭的振型序列有所不同。四角風雨亭先出現(xiàn)橫橋向彎曲振型，頻率為1.9721 Hz；再出現(xiàn)縱橋向彎曲振型，頻率為1.9881 Hz。六角風雨亭和八角風雨亭都是先出現(xiàn)縱橋向彎曲振型，再出現(xiàn)橫橋向彎曲振型。其中，六角風雨亭的縱橋向彎曲和橫橋向彎曲頻率分別為1.5240 Hz 和1.6972 Hz；八角風雨亭的縱橋向彎曲和橫橋向彎曲頻率分別為1.5499 Hz 和1.7189 Hz。（2）四角風雨亭的橋亭扭轉(zhuǎn)頻率比六角風雨亭和八角風雨亭扭轉(zhuǎn)頻率高。四角風雨亭的橋亭扭轉(zhuǎn)頻率為3.8493 Hz，而六角風雨亭和八角風雨亭的扭轉(zhuǎn)頻率分別為2.4909 Hz 和2.5273 Hz。三種風雨亭的橫橋向彎曲、縱橋向彎曲和橋亭扭轉(zhuǎn)振型分別如圖6～圖8 所示。從圖中可以看出，風雨亭發(fā)生橫橋向或縱橋向彎曲振型時，形態(tài)都是亭柱發(fā)生橫向或者縱向傾斜；發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型時，亭柱會繞亭子中心發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

表2 四角風雨亭、六角風雨亭和八角風雨亭動力特性

圖6 四角風雨亭部分模態(tài)

圖7 六角風雨亭部分模態(tài)

圖8 八角風雨亭部分模態(tài)

4 結論

本文以柳州市鳳凰嶺大橋為研究對象，首先根據(jù)六跨廊橋的結構特點建立了帶有風雨亭結構的有限元模型，隨后分析了鳳凰嶺大橋的動力特性，最后研究了廊橋上四角風雨亭、六角風雨亭和八角風雨亭的動力特性。主要結論如下：

（1）主梁1 階豎彎頻率和扭轉(zhuǎn)頻率分別為0.9387 Hz和1.6647 Hz。主梁發(fā)生豎彎振型時，風雨亭和主梁共同變形；主梁發(fā)生扭轉(zhuǎn)振型時，風雨亭會產(chǎn)生橫橋向彎曲。

（2）三種風雨亭的振型序列有所不同。四角風雨亭先出現(xiàn)橫橋向彎曲振型，再出現(xiàn)縱橋向彎曲振型；六角風雨亭和八角風雨亭都是先出現(xiàn)縱橋向彎曲振型，再出現(xiàn)橫橋向彎曲振型。

（3）四角風雨亭的扭轉(zhuǎn)頻率比六角風雨亭和八角風雨亭的扭轉(zhuǎn)頻率高。