何清波

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上承式鋼板梁橋水平橫向振動研究

何清波

(湖南常德公路工程總公司, 湖南 常德, 415000)

作為橋梁橫向抗風設計和抗震設計的重要基礎, 提出了一種計算上承式鋼板梁橋水平橫向振動固有頻率的計算方法. 根據(jù)貝努利-歐拉梁振動理論, 建立了上承式鋼板梁橋水平橫向振動的振動方程. 考慮橋梁連接系的作用, 給出了水平橫向彎曲剛度的表達式, 從而求出了上承式鋼板梁橋水平橫向振動的固有頻率. 算例分析表明該方法簡便實用, 且有良好的近似性.

上承式; 梁橋; 貝努利-歐拉梁; 水平橫向振動; 固有頻率

鋼板梁橋是鋼橋結構的常見形式, 其主要承重結構是由兩片工字形截面的板梁, 橋的自重及活載由這兩片主梁承擔. 在這兩片主梁之間的上平縱聯(lián)、下平縱聯(lián)及橫聯(lián)起著聯(lián)系作用, 使它成為一個穩(wěn)定的空間結構[1-2]. 橋梁振動和車輛與橋梁耦合振動在工程領域廣泛發(fā)生, 也是學術界的研究熱點[3]. 文獻[4]研究了雙車交會過程的風-車-橋耦合振動; 文獻[5]對宜萬鐵路獅子口大橋車橋耦合振動進行了仿真分析; 文獻[6]研究了高速列車作用下簡支梁車橋耦合振動隨機響應; 文獻[7]研究了簡支梁橋順橋向固有振動. 在橫向荷載如風荷載、橫橋向地震作用、船只或漂流物撞擊力作用下, 橋梁會發(fā)生橫向振動[8]. 文獻[4]-文獻[6]采用的方法均為有限元法, 有限元法存在方法復雜, 過程煩瑣, 不利于工程應用計算的缺點. 因此, 為了方便簡單地計算上承式鋼板梁橋水平橫向振動的固有頻率, 本文提出了一種求解上承式鋼板梁橋水平橫向振動固有頻率的一種新方法. 該方法理論簡單, 計算方便, 精度較高, 方便應用.

1 固有頻率表達式

兩端簡支的上承式鋼板梁橋, 坐標系如圖1所示. 圖中虛線為下平縱聯(lián). 設跨度為, 兩道主梁距離, 梁橋水平橫向彎曲剛度為. 由貝努利-歐拉梁振動理論, 梁橋水平橫向彎曲振動的振型曲線微分方程為:

上式中, 為梁橋縱橋向單位長度質(zhì)量, 為上承式鋼板梁橋水平橫向振動時的位移函數(shù).

由分離變量法, 設

將式(2)代入式(1), 有

式(3)的解為

式(4)中,、和是積分常數(shù).

如圖1所示的梁橋水平橫向振動時的邊界條件為:

將式(5)代入式(4)可得

=0,=0. (7)

將式(6)代入式(4)可得

由于和不能同時為0, 由式(8)可以得到如圖1所示的梁橋水平橫向振動時的頻率方程為:

式(10)的解為:

將式(11)代入式(3)中的表達式, 從而可得如圖1所示的梁橋水平橫向振動時的頻率為:

由式(8)和式(10)可知=0, 因而由式(4)可得振型函數(shù)為:

2 水平橫向彎曲剛度

由式(12)可以求上承式鋼板梁橋水平橫向振動固有頻率. 但由于上承式鋼板梁橋是由上平縱聯(lián)、下平縱聯(lián)和兩片工字形截面的板梁組成的, 梁橋水平橫向彎曲剛度要考慮上平縱聯(lián)、下平縱聯(lián)的影響.

如果在簡支梁的中點施加外力, 此時梁的撓曲線為:

當上承式鋼板梁橋中點產(chǎn)生單位位移時, 此時外力為:

當梁中點產(chǎn)生單位位移時, 由于位移協(xié)調(diào), 上(下)平縱聯(lián)也產(chǎn)生了相應位移1:

式中,為上(下)平縱聯(lián)間距.

所以, 外力應為使上(下)平縱聯(lián)發(fā)生位移1時所需要的力在水平方向投影1和兩片主梁中點發(fā)生單位位移時所需要的力2的和. 現(xiàn)在來求上(下)平縱聯(lián)發(fā)生位移1時所需要的力在水平方向投影1.

圖2 上(下)平縱聯(lián)變形示意圖

忽略變形前后上(下)平縱聯(lián)與主梁的夾角改變, 則1為:

式(19)中,為上(下)平縱聯(lián)拉壓剛度.

兩片主梁中點發(fā)生單位位移時所需要的力2為:

式(20)中,EI為兩片主梁的水平橫向彎曲剛度.

則上承式鋼板梁橋中點產(chǎn)生單位位移所需要的外力為:

由式(15)和式(21), 可以求出上承式鋼板梁橋水平橫向彎曲剛度為:

將式(22)代入式(12), 可以得到如圖1所示的梁橋水平橫向振動時的頻率為:

由式(23), 就可以求解上承式鋼板梁橋水平橫向振動固有頻率.

3 算例

某上承式板梁鐵路橋, 跨度=20 m. 兩板梁為焊接組合工字形截面梁, 腹板為-2100×10, 上、下翼緣為-350×15, 腹板兩側設加勁肋, 加勁肋為-190×10×2100, 兩道主梁距離=1.8 m. 上(下)平縱聯(lián)選用角鋼, 上平縱聯(lián)角鋼為D80×10, 下平縱聯(lián)角鋼為D100×80×10, 間距=1.55 m. 以上材料為Q235B鋼. 梁橋總重48 t.

由式(22), 可以計算出該鋼梁水平橫向振動固有頻率, 如表1所示. 為了驗算本文方法, 采用ANSYS軟件計算出了該鋼梁振動固有頻率, 也列在表1中. 從表1可以看出, 本文方法與ANSYS軟件的計算結果相差不大, 表明本文方法有很好的精度.

表1 上承式鋼板梁橋水平橫向振動前5階固有頻率

4 結論

由于上承式鋼板梁橋是由上平縱聯(lián)、下平縱聯(lián)和兩片工字形截面的板梁組成的, 梁橋水平橫向彎曲剛度要考慮上平縱聯(lián)、下平縱聯(lián)的影響. 本文提出的上承式鋼板梁橋水平橫向振動固有頻率的計算方法, 考慮了上平縱聯(lián)、下平縱聯(lián)對水平橫向振動的影響. 從算例可以看出, 該方法理論簡單, 計算方便, 精度較高, 方便應用.

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Study of horizontal transverse vibration on deck type steel plate girder bridge

HE Qin-bo

(Hunan Changde Highway Engineer General Company, Changde 415000, China)

For purpose of providing a basis for transverse anti-wind and anti-earthquake design of bridge, a calculation method of natural frequency of horizontal transverse vibration on deck type steel plate girder bridge was put forward in detail. First, the horizontal transverse vibration equation on deck type steel plate girder bridge was established with Bernoulli-Euler beam vibration theory. Then the analytical expression of horizontal transverse bending rigidity was given taking the bridge joints system effect into consideration. Finally, the natural frequency of horizontal transverse vibration on deck type steel plate girder bridge was constructed. It is shown by numerical example that this method is simple and practicable, and owns good precision.

deck type; girder bridge; Bernoulli-Euler beam; horizontal transverse vibration; natural frequency

10.3969/j.issn.1672-6146.2012.03.021

U 441.3

1672-6146(2012)03-0073-04

2012-07-23

何清波(1979-), 男, 工程師, 主要從事公路與橋梁施工管理工作. E-mail: 1723226153@qq.com.

(責任編校:劉剛毅)