关于某中承式系杆拱桥肋间横梁声响问题的分析

谢远方

（中铁上海设计院集团有限公司 江苏省 南京市 210009）

摘 要：在中承式系杆拱桥结构中，肋间横梁主要采用钢结构形式，且工字型截面居多。但是随着目前城市交通量的日益增加，车道越来越多，桥梁宽度也日益加大。肋间钢横梁的截面选择以及其连接处的设计是否合理，成为日益突出的问题。结合某工程实例，对肋间钢横梁与小纵梁之间产生声响的问题进行分析，进而对肋间钢横梁的优化设计方案进行深入探讨。

关键词：肋间钢横梁；声响；原因分析

目前，国内中承式系杆拱桥多以吊杆横梁受力为主，桥面系由吊杆横梁、肋间横梁、小纵梁和桥面板组成，桥面荷载由桥面板传递给横梁，再传递给拱结构。该类型桥面结构受力明确，施工方便，但整体性较差，特别是肋间横梁与小纵梁连接处的设计，处理不当将会对桥梁结构的安全和使用造成影响。结合工程实例，对设计中出现的肋间横梁声响问题进行分析，进而对相关问题进行深入探讨。

1工程概况

本桥采用飞燕式钢管混凝土拱桥，主桥全长180m，其具体孔跨布置为30m+120m+30m。主拱肋、边拱肋横桥向内倾9°。拱肋与桥面相交处设置肋间钢横梁。钢横梁采用工字型结构，其钢板厚度为：顶、底板40mm，腹板28mm。横梁结构图见下图：

2主要问题

当有重车通过桥梁时候，肋间钢横梁附近区域发出明显的声响。通过对桥面现场查勘，当重车通过时，横梁顶面的伸缩缝有轻微的上下错位现象，伸缩缝未损坏，横梁顶面的桥面无明显的裂缝。经判断，可能是当有重车快速通过桥梁时，偏心荷载使肋间钢横梁发生竖向和水平方向振动，靠近横梁跨中位置振幅偏大，使得小纵梁与横梁活动钢支座处出现相对水平位移，支座摩擦发出的声音。

3 计算模型

为了检算钢横梁在汽车荷载作用下的力学性能及动力性能，采用ANSYSY有限元软件进行空间三维梁单元的模拟分析，并考虑剪切变形对结构的影响。主要考虑在恒载、单车道加载、四车道加载下结构的静力计算及横梁的动力特性计算和侧倾屈曲分析。

4计算结果

4.1 静力计算结果

由于肋间横梁相临的横梁间距分别为5m和5.5m，作用在肋间横梁上的不仅有竖向力，还有由于不等跨产生的扭矩。

恒载作用下：横梁最大正应力位于梁端，值为57.4MPa；扭转剪应力0.414MPa。

单车道活载作用下：横梁跨中截面竖向最大位移2.7mm，翼缘横向最大水平位移5.6mm；现场检测横梁中部底板竖向最大动挠度为3.4mm，检测结果比理论计算结果偏大0.7mm，考虑现场检测是在重车行驶的过程中进行的，车辆荷载的冲击系数与计算采用的值不可能完全吻合，因此测结果与理论计算结果基本上吻合。

四车道活载作用下：横梁跨中截面竖向最大位移15.3mm，翼缘横向最大水平位移39.4mm。

在恒载和四车道活载作用下，横梁正应力最大值出现于梁端，最大正应力为172MPa；依据《铁路桥梁钢结构设计规范》（TB10002.2-2005）第4.2条计算可得肋间横梁容许应力折减系数为0.9，容许应力为： 180MPa。横梁最大正应力172MPa，小于规范容许应力值180MPa，满足规范要求。

横梁最大剪应力位于梁端腹板的中部，腹板最大剪应力为40.5MPa，小于规范限值120MPa，满足规范要求。

4.2 动力特性

肋间横梁前五阶自振频率见表1：

横梁前五阶模态见图4：

（a）一阶振型 （b）二阶振型

（c）三阶振型 （d）四阶振型

（e）五阶振型

由振型图可以看出，横梁前两阶振型是横梁横向弯曲和扭转，对应频率分别为3.38Hz和4.25Hz。

肋间横梁现场实测表明，横梁一阶振型为顺桥向弯曲，即横梁侧向弯曲，一阶振型与理论计算结果一致；现场实测横梁一阶侧向弯曲频率为2.25Hz，理论计算横梁一阶侧向弯曲频率为3.38Hz。横梁实测频率见下图：

4.3 侧倾屈曲分析

梁的侧倾屈曲也称为梁的弯扭屈曲。求解弯扭屈曲时，恒载保持不变，活载横向按跨中布四道考虑，纵向按偏载加载模式布置。边界条件为梁端固结。计算屈曲模态如图6。

从屈曲模态可以看出，肋间横梁的一阶屈曲为弯扭屈曲。屈曲荷载系数为4.58；即在恒载和四辆重车同作用下，横梁不会发生侧倾屈曲。横梁在恒载和四辆重车共同作用下的安全系数为4.58。

4.4 处理方案

经检算，钢横梁在设计荷载作用下，结构强度和稳定均满足规范要求，结构是安全的。

为了消除声响采取以下措施：增設横梁侧向支撑，从而减少横梁计算长度，改善横梁动力特性。具体方法是将边跨侧小纵梁与钢横梁固结，限制横梁侧向位移，取消钢横梁上伸缩缝，改至桥台处，以减少跳车对钢横梁的影响。设置横向支撑后的肋间横梁前五阶自振频率见表2。

设置侧向支撑后的，原来的第一阶侧弯振型变为扭转振型，一阶扭转频率是3.99Hz，横梁一阶侧弯出现在第五阶振型，频率为22.62Hz，较大的改善了钢横梁的动力特性。

5结论

综合分析，本桥结构设计上是安全可靠的。此次出现钢横梁与小纵梁摩擦声响的问题，虽然不影响结构使用，但是对如何完善此类桥梁设计，避免类似情况发生，以免给社会造成不必要的影响，还有很多方面需要我们在设计过程中给予充分重视。

（1）关于钢横梁的截面形式的选择，箱型截面的侧向刚度明显由于工字型截面，抗扭性能更优；

（2）小纵梁与钢横梁之间细部构造处理，不能简单的按照铰接处理，因结合桥面宽度、结构体系，综合考虑其连接形式；

（3）伸缩缝得设置，应尽量避免直接在钢横梁上设置伸缩缝；

（4）对于此类城市桥梁设计，由于桥面很宽，设计时应充分考虑超载车辆的影响，同时，该类桥梁宜设置警示标志，严禁超载限载车辆通过。

参考文献

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[2] 张燕青.确定系杆拱桥合理吊杆索力的方法及其应用[D].浙江大学 2014.

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