某懸索橋抗風(fēng)性能初步分析

胡 航，呂 龍

(西南交通大學(xué)，四川成都610031)

在懸索橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，動(dòng)力穩(wěn)定性問題(主要是顫振)是一個(gè)重要的問題。隨著橋梁跨徑的不斷增長，顫振穩(wěn)定性再次成為設(shè)計(jì)和建造大跨度纜索承重體系的橋梁中一個(gè)必須認(rèn)真考慮的問題。而顫振臨界風(fēng)速則是衡量橋梁顫振穩(wěn)定性的重要指標(biāo)［1］。

該橋是目前西部地區(qū)在建的纜索式公路橋，全長為830m，其中主跨538m。主梁采用鋼桁梁結(jié)構(gòu)，其中高度4.5m，寬度28m。所以對(duì)于這種長而柔的橋跨結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)要求對(duì)它的抗風(fēng)性能進(jìn)行可靠分析［3］。

1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

1.1 結(jié)構(gòu)計(jì)算模型

運(yùn)用大型通用有限元程序ANSYS 建立該懸索橋動(dòng)力分析模型，主梁模型采用最為常用的單梁式模型，主梁、橋塔及樁基礎(chǔ)單元選用空間梁單元BEAM44，主梁與橋塔下橫梁之間的縱向彈性索及拉索用空間桿單元LINK8來離散。主梁采用鋼桁結(jié)構(gòu)，等效剛度取20 GPa，泊松比0.3;主塔采用C50混凝土和HRB335鋼筋，等效剛度取34.5 GPa，泊松比取0.2;主纜和吊桿等效剛度均取210 GPa，泊松比取0.3。對(duì)鋼桁梁懸索橋進(jìn)行動(dòng)力分析時(shí)主桁、上下平聯(lián)、橫梁、主塔均采用梁單元，橋面系及二期恒載的質(zhì)量等效折算給主桁上弦和橫梁。成橋狀態(tài)如圖1。

圖1 成橋狀態(tài)

1.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)果

該懸索橋成橋狀態(tài)下，橋梁結(jié)構(gòu)一階振型表現(xiàn)為主梁一階對(duì)稱側(cè)彎，二階振型表現(xiàn)為主梁縱飄。成橋狀態(tài)動(dòng)力特性見表1(圖2～圖11)。

表1 成橋狀態(tài)動(dòng)力特性

圖2 第1階 主梁一階對(duì)稱側(cè)彎

3 橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)初步分析

3.1 基本參數(shù)

本橋位橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速暫取為34.8m/s。

圖3 第2階 主梁縱飄

圖4 第3階 主梁一階反對(duì)稱豎彎

圖5 第4階 主梁一階對(duì)稱豎彎

圖6 第5階 主梁二階對(duì)稱豎彎

圖7 第6階 主梁一階反對(duì)稱側(cè)彎

圖8 第7階 主梁二階反對(duì)稱豎彎

圖9 第8階 主梁一階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)

圖10 第9階 主梁一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)

圖11 第10階 主纜振動(dòng)為主

3.1.1 基本風(fēng)速

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JPG/T D60－01－2004)［2］中的全國基本風(fēng)壓圖，本橋所在地區(qū)的基本風(fēng)壓為400 Pa(標(biāo)準(zhǔn)高度20m，平均時(shí)距10min，重現(xiàn)期100年)，并查出相應(yīng)的基本風(fēng)速為:V10=25.8m/s。

3.1.2 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vd

由橋面經(jīng)高度修正后，橫橋向設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速:Vd=34.8m/s。

3.1.3 成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速［Vcr］

參考《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JPG/T D60－01－2004)［2］，橫橋向按D類地表考慮風(fēng)速脈動(dòng)影響及水平相關(guān)特性的無量綱修正系數(shù)μf=1.38，并取綜合安全系數(shù) K=1.2，得到成橋狀態(tài)下大橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為:

3.2 橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)初步分析

利用ANSYS軟件進(jìn)行模態(tài)分析，所得結(jié)果見表2。

表2 模態(tài)分析結(jié)果

各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)見表3

表3 計(jì)算參數(shù)

顫振臨界風(fēng)速［2］:

4 結(jié)論

(1)本橋第一振型是主梁一階對(duì)稱側(cè)彎，頻率是0.115，屬柔性結(jié)構(gòu)。

(2)前十二階振動(dòng)頻率均小于0.1，說明該橋柔度較大，自振周期長，固有頻率小。

(3)懸索橋方案成橋狀態(tài)顫振臨界風(fēng)速Vcr=67.18m/s大于成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速［Vcr］=57.6m/s，初步估算能滿足要求。

(4)橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能需進(jìn)一步通過風(fēng)洞試驗(yàn)考察，其中全橋風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ湍B(tài)測試中的一階自振頻率取0.188。式中:0.188為實(shí)橋動(dòng)力特性中主梁一階反對(duì)稱豎彎，參見表1為全橋氣動(dòng)彈性模型的頻率相似系數(shù);n為縮尺比。

［1］ 廖海黎．公路大橋扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速計(jì)算［J］．公路，1995(1)

［2］ JPG/TD60－01－2004橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］