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（静宁县住房和城乡建设局，甘肃，静宁，743400）
【摘要】根据平列式公铁两用大桥的结构特点，基于大型通用结构分析软件ANSYS平台，采用空间梁单元BEAM44对其进行离散，建立了该桥结构的空间有限元模型。借助这一模型，文章首先分析在有汽车荷载的偏载作用下桥梁结构的静力特性，然后分别求得在无公路部分和有公路部分两种情况下桥梁结构的动力特性参数，重点讨论和比较二者自振特性的相同和不同之处，进而得到公路部分对平列式公铁两用大桥力学特性的影响方面及影响程度。文章立足于实际进行撰写，最后的分析结果可为同类桥梁的分析检定提供参考。
【关键词】公铁两用桥；钢桁梁；静力分析；自振频率
1 引言
某平列式公铁两用大桥桥面布置如图所示，铁路布置在两片桁架之间，公路分别置于两桁架之外，左右对称，这种布置具有公路路面标高较低的优点[1]。在我国这类桥梁为数不多，且大都运营多年。文章研究的某平列式公铁两用大桥始建于1959年，并于1971年4月最终建成通车。该桥铁路部分为1孔32米+3孔64米不等跨的四孔栓焊连续下承式钢桁梁，公路梁为8米钢筋混凝土简支梁，由铁路钢桁梁伸出的钢悬臂支承，设计荷载下部结构为中-22级荷载，上部结构铁路为中-22级荷载，公路为汽-13级荷载，桥台为T型混凝土桥台，桥墩为圆端型混凝土墩，基础为扩大混凝土基础，支座为辊轴与摇轴支座，桥上平坡，位于直线段。该桥交付运营后，桥梁养护部门反映，当汽车和火车同时通过时，桥梁晃动较为剧烈，对结构的安全性存有疑虑，为此1974年9月对该桥进行了检定测试，检定试验报告认为该桥“公路托架是个薄弱环节，公路上一跨满载时，一个托架所受活载应力比理论所计算的约大45%，是设计所未考虑到的”。 然而，公路部分（包括钢悬臂和钢筋混凝土简支梁）对平列式公铁两用大桥力学特性的哪些方面有影响，影响到底有多大，这方面的理论分析资料少之又少，因而对此进行理论分析是很有必要的。
2 基于ANSYS的计算模型
当今桥梁结构仿真分析的理念是采用实体、板壳、梁、杆、索等多种单元组成的组合单元，建立整座桥梁完整、统一的分析体系，然后在此基础上进行大规模的全桥结构效应计算[2]。大型通用软件ANSYS就具有非常好的前后处理功能，不仅能准确地模拟实际构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式、荷载作用、初始内力和初始变形等，还可以对计算所输出的大量数字信息进行可视化处理，使计算者能直接看到全桥各部位的位移、应力、应变等计算结果的分布图像，从图像上直接进行分析、判断，来获得有用的结论[3]。
该平列式公铁两用大桥的模型中，梁、墩均采用空间梁单元BEAM44模拟，桥墩与钢桁梁的连接、钢悬臂和钢筋混凝土简支梁的连接处理均采用刚臂单元，根据经验，把 值取为比刚度矩阵的主系数大 数量级的正数，然后将相应的自由度耦合即可[4]。模型中还考虑了基础与地基的相互作用，用弹簧单元COMBINE14模拟土弹簧，考虑了弹簧单元顺桥向和横桥向平动及转动，弹簧刚度采用m法计算[5]。桥梁振动时为全桥整体振动，所以不能只按单墩单梁的振动来考虑，由于4号墩（小里程侧）为钢桁桥和第5跨的32m预应力钢筋混凝土简支梁桥共用，故将预应力钢筋混凝土简支梁的一半质量加在4号墩墩顶。全桥模型顺桥向为z方向（正方向为小里程侧），横向为x方向，竖向为y方向，具体如图2、图3所示。
3 由静力特性探析公路部分对大桥的影响
结构的变形特点反映了结构受力的综合情祝，掌握桥梁受外荷载作用后各个节点的位移变化情况，是了解该类桥梁结构工作状态的一个重要参数。文章对平列式公铁两用大桥的静力分析主要是围绕结构的变形展开的。假如拆除伸出的钢悬臂以及钢筋混凝土简支梁，很明显，该桥仅为连续下承式钢桁梁，属平行弦的连续桁梁，故可把它进行简化，近似地看成具有等截面惯矩的不等跨连续梁。
4 由动力特性探析公路部分对大桥的影响
桥梁结构振动是在外作用的输入(如人群荷载、车辆荷载、风荷载、地震波)和摩阻损耗(如材料内摩阻和连接及支撑的摩阻)下，结构体系的变形能量和运动能量相互转换的周期性过程。体系在受到外作用的输入下，自身产生响应的敏感程度可以用共振程度来表达，即是输入作用与桥梁的固有频率的比值[6]。因此，结构的自振频率与振型是桥梁结构重要的动力特性参数之一，反应桥梁的刚度指标。ANSYS中采用子空间迭代法可以方便和足够精确地计算出所需的各阶频率和相应的振型。对于下承式钢桁桥梁桥，结构复杂，自由度数庞大。对于这种大型结构，通常是由前几阶自振频率和相应振型对结构的位移和内力起着控制作用。由表1可知，在第一种情况下，桥梁的前几阶振型以横向振动为主，且呈现面外正对称和反对称交替出现的特点，桥墩顺桥向弯曲振动出现较早，第8阶振型为全桥纵向漂移，出现较晚。文章实际上计算并得到了该结构前50阶自振频率和相应的振型，却从未出现竖向弯曲振动，可见这种情况下结构竖向刚度较大。
5 结论
5.1 通过静力分析可知，在有汽车荷載的偏载作用下，上下游两片主桁在相对应节点位移值符号相反，说明公路结构上的荷载使整个桥梁结构发生扭转，随着荷载的增多，扭转变形也更大。
5.2 通过动力分析可知，文章所讨论的两种模型都符合大型复杂结构的振动特性振动，模态非常复杂：包括横弯、竖弯、扭转及线相互耦合等现象，而且频率出现集聚现象，各阶频率差值较小。另外，横向振动频率小，且阶数较其它振动靠前，这说明整个结构的横向刚度比较弱。
5.3 钢悬臂和钢筋混凝土简支梁的增加使整个结构的自振频率明显减小，振型由以前的横向弯曲振动变为横向横向弯曲和扭转的耦合振动。对桥梁结构影响最大之处表现在全桥结构出现了阶数靠前竖向弯曲振动，充分说明钢悬臂和钢筋混凝土简支梁是桥梁结构的竖向刚度减弱的最主要因素。
参考文献：
[1] 李富文，伏奎先，刘学信.钢桥[M].北京：中国铁道出版社，1992.
[2] 郑凯峰，陈宁，张晓翘.桥梁结构仿真技术研究[J].桥梁建设，1998，（2）：11-15.
[3] 郝文化主编.ANSYS土木工程应用实例.北京：中国水利水电出版社，2005.
[4] 吴鸿庆，任侠.结构有限元分析[M].北京：中国铁道出版社，2000.
[5] 宋一凡.公路桥梁动力学[M].北京:人民交通出版社，1999.
[6] 范立础，胡世得，叶爱均.大跨度桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社2001.
作者简介：
作者：张明霞，出生年月(1963.04)，性别：女， 甘肃省 平凉 市(籍贯)，现职称：工程师 ，学历：大专 ，研究方向：土木工程
【摘要】根据平列式公铁两用大桥的结构特点，基于大型通用结构分析软件ANSYS平台，采用空间梁单元BEAM44对其进行离散，建立了该桥结构的空间有限元模型。借助这一模型，文章首先分析在有汽车荷载的偏载作用下桥梁结构的静力特性，然后分别求得在无公路部分和有公路部分两种情况下桥梁结构的动力特性参数，重点讨论和比较二者自振特性的相同和不同之处，进而得到公路部分对平列式公铁两用大桥力学特性的影响方面及影响程度。文章立足于实际进行撰写，最后的分析结果可为同类桥梁的分析检定提供参考。
【关键词】公铁两用桥；钢桁梁；静力分析；自振频率
1 引言
某平列式公铁两用大桥桥面布置如图所示，铁路布置在两片桁架之间，公路分别置于两桁架之外，左右对称，这种布置具有公路路面标高较低的优点[1]。在我国这类桥梁为数不多，且大都运营多年。文章研究的某平列式公铁两用大桥始建于1959年，并于1971年4月最终建成通车。该桥铁路部分为1孔32米+3孔64米不等跨的四孔栓焊连续下承式钢桁梁，公路梁为8米钢筋混凝土简支梁，由铁路钢桁梁伸出的钢悬臂支承，设计荷载下部结构为中-22级荷载，上部结构铁路为中-22级荷载，公路为汽-13级荷载，桥台为T型混凝土桥台，桥墩为圆端型混凝土墩，基础为扩大混凝土基础，支座为辊轴与摇轴支座，桥上平坡，位于直线段。该桥交付运营后，桥梁养护部门反映，当汽车和火车同时通过时，桥梁晃动较为剧烈，对结构的安全性存有疑虑，为此1974年9月对该桥进行了检定测试，检定试验报告认为该桥“公路托架是个薄弱环节，公路上一跨满载时，一个托架所受活载应力比理论所计算的约大45%，是设计所未考虑到的”。 然而，公路部分（包括钢悬臂和钢筋混凝土简支梁）对平列式公铁两用大桥力学特性的哪些方面有影响，影响到底有多大，这方面的理论分析资料少之又少，因而对此进行理论分析是很有必要的。
2 基于ANSYS的计算模型
当今桥梁结构仿真分析的理念是采用实体、板壳、梁、杆、索等多种单元组成的组合单元，建立整座桥梁完整、统一的分析体系，然后在此基础上进行大规模的全桥结构效应计算[2]。大型通用软件ANSYS就具有非常好的前后处理功能，不仅能准确地模拟实际构件的空间位置、尺寸、材料特性、连接形式、荷载作用、初始内力和初始变形等，还可以对计算所输出的大量数字信息进行可视化处理，使计算者能直接看到全桥各部位的位移、应力、应变等计算结果的分布图像，从图像上直接进行分析、判断，来获得有用的结论[3]。
该平列式公铁两用大桥的模型中，梁、墩均采用空间梁单元BEAM44模拟，桥墩与钢桁梁的连接、钢悬臂和钢筋混凝土简支梁的连接处理均采用刚臂单元，根据经验，把 值取为比刚度矩阵的主系数大 数量级的正数，然后将相应的自由度耦合即可[4]。模型中还考虑了基础与地基的相互作用，用弹簧单元COMBINE14模拟土弹簧，考虑了弹簧单元顺桥向和横桥向平动及转动，弹簧刚度采用m法计算[5]。桥梁振动时为全桥整体振动，所以不能只按单墩单梁的振动来考虑，由于4号墩（小里程侧）为钢桁桥和第5跨的32m预应力钢筋混凝土简支梁桥共用，故将预应力钢筋混凝土简支梁的一半质量加在4号墩墩顶。全桥模型顺桥向为z方向（正方向为小里程侧），横向为x方向，竖向为y方向，具体如图2、图3所示。
3 由静力特性探析公路部分对大桥的影响
结构的变形特点反映了结构受力的综合情祝，掌握桥梁受外荷载作用后各个节点的位移变化情况，是了解该类桥梁结构工作状态的一个重要参数。文章对平列式公铁两用大桥的静力分析主要是围绕结构的变形展开的。假如拆除伸出的钢悬臂以及钢筋混凝土简支梁，很明显，该桥仅为连续下承式钢桁梁，属平行弦的连续桁梁，故可把它进行简化，近似地看成具有等截面惯矩的不等跨连续梁。
4 由动力特性探析公路部分对大桥的影响
桥梁结构振动是在外作用的输入(如人群荷载、车辆荷载、风荷载、地震波)和摩阻损耗(如材料内摩阻和连接及支撑的摩阻)下，结构体系的变形能量和运动能量相互转换的周期性过程。体系在受到外作用的输入下，自身产生响应的敏感程度可以用共振程度来表达，即是输入作用与桥梁的固有频率的比值[6]。因此，结构的自振频率与振型是桥梁结构重要的动力特性参数之一，反应桥梁的刚度指标。ANSYS中采用子空间迭代法可以方便和足够精确地计算出所需的各阶频率和相应的振型。对于下承式钢桁桥梁桥，结构复杂，自由度数庞大。对于这种大型结构，通常是由前几阶自振频率和相应振型对结构的位移和内力起着控制作用。由表1可知，在第一种情况下，桥梁的前几阶振型以横向振动为主，且呈现面外正对称和反对称交替出现的特点，桥墩顺桥向弯曲振动出现较早，第8阶振型为全桥纵向漂移，出现较晚。文章实际上计算并得到了该结构前50阶自振频率和相应的振型，却从未出现竖向弯曲振动，可见这种情况下结构竖向刚度较大。
5 结论
5.1 通过静力分析可知，在有汽车荷載的偏载作用下，上下游两片主桁在相对应节点位移值符号相反，说明公路结构上的荷载使整个桥梁结构发生扭转，随着荷载的增多，扭转变形也更大。
5.2 通过动力分析可知，文章所讨论的两种模型都符合大型复杂结构的振动特性振动，模态非常复杂：包括横弯、竖弯、扭转及线相互耦合等现象，而且频率出现集聚现象，各阶频率差值较小。另外，横向振动频率小，且阶数较其它振动靠前，这说明整个结构的横向刚度比较弱。
5.3 钢悬臂和钢筋混凝土简支梁的增加使整个结构的自振频率明显减小，振型由以前的横向弯曲振动变为横向横向弯曲和扭转的耦合振动。对桥梁结构影响最大之处表现在全桥结构出现了阶数靠前竖向弯曲振动，充分说明钢悬臂和钢筋混凝土简支梁是桥梁结构的竖向刚度减弱的最主要因素。
参考文献：
[1] 李富文，伏奎先，刘学信.钢桥[M].北京：中国铁道出版社，1992.
[2] 郑凯峰，陈宁，张晓翘.桥梁结构仿真技术研究[J].桥梁建设，1998，（2）：11-15.
[3] 郝文化主编.ANSYS土木工程应用实例.北京：中国水利水电出版社，2005.
[4] 吴鸿庆，任侠.结构有限元分析[M].北京：中国铁道出版社，2000.
[5] 宋一凡.公路桥梁动力学[M].北京:人民交通出版社，1999.
[6] 范立础，胡世得，叶爱均.大跨度桥梁抗震设计[M].北京：人民交通出版社2001.
作者简介：
作者：张明霞，出生年月(1963.04)，性别：女， 甘肃省 平凉 市(籍贯)，现职称：工程师 ，学历：大专 ，研究方向：土木工程