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摘 要：沈阳市浑河汽博大桥是一座提篮式系杆拱桥，其综合了桥拱弯曲、倾斜、不等距等工艺的建造艺术，拥有独特外观，将成为沈阳市一座新的城市景观。为了了解这个集多个高难工艺于一身的汽博大桥的动力性能，需要对桥梁进行空间动力特性分析。采用Midas Civil 软件建立该桥梁空间有限元计算模型，计算得到桥梁前15阶振动周期和振型，计算结果表明：该桥的拱肋面内外刚度相差较大，竖向刚度较横向刚度弱，桥梁低阶以拱肋横向振动为主；桥梁的自振周期较大；桥梁振型较为密集。
关键词：提篮拱桥；有限元法；频率；振型
Abstract： Shenyang City Hunhe steam Bo Bridge is a basket-style Tied Arch Bridge， its integrated arch bending， tilting， not equidistant the process of construction of art has a unique appearance， will become a new urban landscape in Shenyang City. In order to understand this set of multiple highly difficult process in the dynamic performance of a steam Bo Bridge spatial dynamic characteristic analysis. Midas Civil software space finite element model of the bridge， calculate 15 order to get the bridge vibration cycle and mode shapes calculated results show that： the bridge arch rib surface stiffness difference between the inside and outside large vertical stiffness weaker than the transverse stiffness， bridges low-level main arch rib lateral vibration； the bridge vibration period； bridge modes relatively dense.Keywords： basket handle arch bridge； finite element method； frequency； modes
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1概述
提篮式拱桥是将通常的中、下承式平行拱肋式拱桥的拱肋向桥轴线方向倾斜，拱肋在拱顶通过横撑联结，形成空间拱式结构[1].这种类型的拱桥在侧倾稳定性、施工稳定性和抗震性方面优于平行拱肋桥，同时其富有美学价值的外形和良好的经济性，在许多城市桥梁建设中受到设计者的青睐[2-5].由于该桥型的具体形式和各构件设计参数不同，提篮拱桥的空间力学性能也会随之变化，所以，针对具体桥梁情况进行研究，了解其空间受力性能，有助于该类桥型的设计和施工监控。
2工程概况
沈阳市浑河汽博大桥为在建的一座跨浑河的大桥，主桥为六跨中承式飘带形提篮拱桥，主桥跨径为35+84+120+88+68+35=430m，北岸引桥为5x35=175m，南岸引桥为4x35+4x35=280m，引桥共长455m，全桥总长885m，桥宽32m。本桥拱肋采用矩形钢箱，在桥面设置系杆连接主桥两端的端横梁，以平衡主桥的水平推力；各个拱之间的水平推力通过跨径与矢高的合理配置使得全桥4跨拱肋间水平推力基本一致，以确保桥梁在恒载下的水平推力平衡。各跨拱肋均采用内倾布置，形成提篮拱的造型。通过与横梁连接的吊杆将桥面荷载传递到拱肋，在横梁上布置混凝土桥面板形成桥面行车体系。主桥拱肋采用空间布置：Ⅰ、Ⅵ号拱平面内拱轴线为圆曲线，立面拱轴线为椭圆线；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号拱平面内拱轴线及立面拱轴线均为二次抛物线，左右拱肋均向内倾形成提篮拱的造型；吊杆采用双索面布置，梁上吊点位于人行道上游；主桥中墩及边墩基础采用直径2m的钻孔灌注桩。主桥桥型布置如图1所示。
图1主桥桥型布置图
桥梁的桥梁的动力特性反映了桥梁的刚度指标，取决于结构的组成体系、刚度、质量分布以及支承条件等，是桥梁结构动力分析和抗震设计的重要参数，对正确进行桥梁结构的设计和安全维护具有重要的意义.本文就上述桥型的动力特性进行了计算分析，计算结果丰富了此类桥梁动力研究的内容，所得数据可为该桥在运营阶段的健康检测和维护提供参考.
3有限元模型的建立
3.1有限元仿真模型的建立
应用有限元程序MIDAS对动漫桥进行建模分析，共建立结点9162个，单元6991个。其中吊杆、系杆采用只受拉单元，共86对，合计172个；拱座及拱梁区采用实体单元，共4848个；其它均采用梁单元。结构分析模型如下图2所示。
图2MIDAS/Civil有限元模型
3.2计算结果及分析
通过特征值分析得出该桥的前 15 阶自振频率、周期及阵型特征计算结果如表1所示，桥梁前6阶阵型图如图3-图8所示。
表1 振动特性计算结果
图3.8第6阶阵型图
从表1所示桥梁振型的振动特征和图3一图8所示振型图可以看出，该六跨中承式飘带形提篮拱桥的振型比较复杂，总的来看，具有下列5个方面的特点：
1） 中承式飘带形提篮拱桥的振动主要有拱肋的面外振动、桥梁整体的竖向振动和扭转振动3种振动形式。 2）拱肋的面内刚度相对较小，在振动中首先出现拱肋及拱间桥面的面内振动，与一般中、下承式系杆拱桥相同。
3）前15阶振型中有6阶为拱肋的面外振动，6阶为横向振动，9阶为全桥的竖向振动，2阶为全桥的扭转振动。前15阶振形中有13阶为单一的振型，而其余2阶振型中均有两种振动形式出现。主要原因是全桥拱肋均为内倾17度，除Ⅲ号拱拱顶倚靠形成刚接外，其他拱均无拱间横撑，Ⅲ号拱拱肋面外刚度大大加强，但是所有拱均在拱梁区位置设置拱间横梁，有效的增强了拱的刚度及稳定性，同时拱肋材料采用了强大的箱型截面钢材，且拱脚处钢混结合段位置采用预应力钢束固结，也有效的增大各拱与桥梁整体的联系。
4）在第1阶振型中即出现了拱及拱间桥面的竖向振动，并在前15阶振型中桥面的竖向振动出现较多，这说明桥的桥面属于柔性体系，这样同时大增强了桥梁的抵抗大风及地震的能力。
结束语
根据汽博大桥的结构特点，利用MIDAS CIVIL有限元软件对该主桥进行了动力分析，计算结果表明，该桥的振动主要有拱肋的面外振动、桥梁整体的竖向振动和扭转振动3种振动形式；拱肋的竖向刚度相对较小，在振动中首先出现拱肋的竖向振动；前15阶振型中竖向振动占六成比例，属于主要振动形式，扭转振动相对发生较少，与一般中、下承式平行肋拱桥类似，该桥失稳主要表现为拱肋的面外失稳，与一般中、下承式系杆拱桥失稳特征基本相同，但由于拱肋倾角的存在，使得该桥的横向稳定性要明显优于平行肋拱桥，两种工况下的稳定安全系数也明显高于平行肋拱桥。计算结果一方面可为该桥的设计、施工提供技术依据；另一方面，本文所得到的动力特性基本数据，可为该桥梁在运营过程中的健康检测和维护提供基础性数据。
参考文献：
[1]张庆明，周 罡. 大跨径提篮拱的拱肋侧倾角对稳定性影响的研究[J].桥梁建设，2007（4）：32-34.
[2]赵跃宇，劳文全，冯 锐，等. 内倾角对钢管混凝土提篮拱力学性能影响的分析[J]. 公路交通科技，2007，24（3）：56-58.
[3]邱文亮，黄才良，邓安泰. 钢管混凝土拱桥拱肋倾角对稳定性影响的研究[J]. 公路交通科技，2004，12（4）：53-55.
[4]李宏辉. 九曲河提篮拱桥受力特性分析[D]. 成都：西南交通大学，2002.
[5]韦建刚，陈宝春，孙 潮，等. 钢管-钢管混凝土复合拱桥静力性能研究[J]. 福州大学学报：自然科学版，2006，34（1）：104-108.
关键词：提篮拱桥；有限元法；频率；振型
Abstract： Shenyang City Hunhe steam Bo Bridge is a basket-style Tied Arch Bridge， its integrated arch bending， tilting， not equidistant the process of construction of art has a unique appearance， will become a new urban landscape in Shenyang City. In order to understand this set of multiple highly difficult process in the dynamic performance of a steam Bo Bridge spatial dynamic characteristic analysis. Midas Civil software space finite element model of the bridge， calculate 15 order to get the bridge vibration cycle and mode shapes calculated results show that： the bridge arch rib surface stiffness difference between the inside and outside large vertical stiffness weaker than the transverse stiffness， bridges low-level main arch rib lateral vibration； the bridge vibration period； bridge modes relatively dense.Keywords： basket handle arch bridge； finite element method； frequency； modes
中图分类号：TU74 文献标识码：A 文章编号：2095-2104（2012）
1概述
提篮式拱桥是将通常的中、下承式平行拱肋式拱桥的拱肋向桥轴线方向倾斜，拱肋在拱顶通过横撑联结，形成空间拱式结构[1].这种类型的拱桥在侧倾稳定性、施工稳定性和抗震性方面优于平行拱肋桥，同时其富有美学价值的外形和良好的经济性，在许多城市桥梁建设中受到设计者的青睐[2-5].由于该桥型的具体形式和各构件设计参数不同，提篮拱桥的空间力学性能也会随之变化，所以，针对具体桥梁情况进行研究，了解其空间受力性能，有助于该类桥型的设计和施工监控。
2工程概况
沈阳市浑河汽博大桥为在建的一座跨浑河的大桥，主桥为六跨中承式飘带形提篮拱桥，主桥跨径为35+84+120+88+68+35=430m，北岸引桥为5x35=175m，南岸引桥为4x35+4x35=280m，引桥共长455m，全桥总长885m，桥宽32m。本桥拱肋采用矩形钢箱，在桥面设置系杆连接主桥两端的端横梁，以平衡主桥的水平推力；各个拱之间的水平推力通过跨径与矢高的合理配置使得全桥4跨拱肋间水平推力基本一致，以确保桥梁在恒载下的水平推力平衡。各跨拱肋均采用内倾布置，形成提篮拱的造型。通过与横梁连接的吊杆将桥面荷载传递到拱肋，在横梁上布置混凝土桥面板形成桥面行车体系。主桥拱肋采用空间布置：Ⅰ、Ⅵ号拱平面内拱轴线为圆曲线，立面拱轴线为椭圆线；Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ号拱平面内拱轴线及立面拱轴线均为二次抛物线，左右拱肋均向内倾形成提篮拱的造型；吊杆采用双索面布置，梁上吊点位于人行道上游；主桥中墩及边墩基础采用直径2m的钻孔灌注桩。主桥桥型布置如图1所示。
图1主桥桥型布置图
桥梁的桥梁的动力特性反映了桥梁的刚度指标，取决于结构的组成体系、刚度、质量分布以及支承条件等，是桥梁结构动力分析和抗震设计的重要参数，对正确进行桥梁结构的设计和安全维护具有重要的意义.本文就上述桥型的动力特性进行了计算分析，计算结果丰富了此类桥梁动力研究的内容，所得数据可为该桥在运营阶段的健康检测和维护提供参考.
3有限元模型的建立
3.1有限元仿真模型的建立
应用有限元程序MIDAS对动漫桥进行建模分析，共建立结点9162个，单元6991个。其中吊杆、系杆采用只受拉单元，共86对，合计172个；拱座及拱梁区采用实体单元，共4848个；其它均采用梁单元。结构分析模型如下图2所示。
图2MIDAS/Civil有限元模型
3.2计算结果及分析
通过特征值分析得出该桥的前 15 阶自振频率、周期及阵型特征计算结果如表1所示，桥梁前6阶阵型图如图3-图8所示。
表1 振动特性计算结果
图3.8第6阶阵型图
从表1所示桥梁振型的振动特征和图3一图8所示振型图可以看出，该六跨中承式飘带形提篮拱桥的振型比较复杂，总的来看，具有下列5个方面的特点：
1） 中承式飘带形提篮拱桥的振动主要有拱肋的面外振动、桥梁整体的竖向振动和扭转振动3种振动形式。 2）拱肋的面内刚度相对较小，在振动中首先出现拱肋及拱间桥面的面内振动，与一般中、下承式系杆拱桥相同。
3）前15阶振型中有6阶为拱肋的面外振动，6阶为横向振动，9阶为全桥的竖向振动，2阶为全桥的扭转振动。前15阶振形中有13阶为单一的振型，而其余2阶振型中均有两种振动形式出现。主要原因是全桥拱肋均为内倾17度，除Ⅲ号拱拱顶倚靠形成刚接外，其他拱均无拱间横撑，Ⅲ号拱拱肋面外刚度大大加强，但是所有拱均在拱梁区位置设置拱间横梁，有效的增强了拱的刚度及稳定性，同时拱肋材料采用了强大的箱型截面钢材，且拱脚处钢混结合段位置采用预应力钢束固结，也有效的增大各拱与桥梁整体的联系。
4）在第1阶振型中即出现了拱及拱间桥面的竖向振动，并在前15阶振型中桥面的竖向振动出现较多，这说明桥的桥面属于柔性体系，这样同时大增强了桥梁的抵抗大风及地震的能力。
结束语
根据汽博大桥的结构特点，利用MIDAS CIVIL有限元软件对该主桥进行了动力分析，计算结果表明，该桥的振动主要有拱肋的面外振动、桥梁整体的竖向振动和扭转振动3种振动形式；拱肋的竖向刚度相对较小，在振动中首先出现拱肋的竖向振动；前15阶振型中竖向振动占六成比例，属于主要振动形式，扭转振动相对发生较少，与一般中、下承式平行肋拱桥类似，该桥失稳主要表现为拱肋的面外失稳，与一般中、下承式系杆拱桥失稳特征基本相同，但由于拱肋倾角的存在，使得该桥的横向稳定性要明显优于平行肋拱桥，两种工况下的稳定安全系数也明显高于平行肋拱桥。计算结果一方面可为该桥的设计、施工提供技术依据；另一方面，本文所得到的动力特性基本数据，可为该桥梁在运营过程中的健康检测和维护提供基础性数据。
参考文献：
[1]张庆明，周 罡. 大跨径提篮拱的拱肋侧倾角对稳定性影响的研究[J].桥梁建设，2007（4）：32-34.
[2]赵跃宇，劳文全，冯 锐，等. 内倾角对钢管混凝土提篮拱力学性能影响的分析[J]. 公路交通科技，2007，24（3）：56-58.
[3]邱文亮，黄才良，邓安泰. 钢管混凝土拱桥拱肋倾角对稳定性影响的研究[J]. 公路交通科技，2004，12（4）：53-55.
[4]李宏辉. 九曲河提篮拱桥受力特性分析[D]. 成都：西南交通大学，2002.
[5]韦建刚，陈宝春，孙 潮，等. 钢管-钢管混凝土复合拱桥静力性能研究[J]. 福州大学学报：自然科学版，2006，34（1）：104-108.