轉體施工大懸臂T構的抗風性能研究*

張謝東　黃偉文

(武漢理工大學交通學院　武漢　430063)

轉體施工大懸臂T構的抗風性能研究*

張謝東黃偉文

(武漢理工大學交通學院武漢430063)

摘要：采用平轉施工的T形剛構橋梁在轉體之前，拆除施工支架，處于大懸臂狀態，結構剛度較小，在風的作用下穩定性較差.結合內蒙古集寧市的京包鐵路分離式立交橋，橋址處多陣風且風速較大，分析該轉體施工T形剛構橋梁的抗風性能，通過對該橋進行了抖振時域分析，得到其位移時程結果.大懸臂T構的結構橫向剛度最小，位移最大.結果表明結構在風荷載的作用下較安全，但風荷載的作用不可忽略.

關鍵詞：轉體施工；大懸臂；抖振時域分析

張謝東(1964- )：男，博士，教授，博士生導師，主要研究領域為道路與橋梁工程

0引言

京包鐵路分離式立交橋是京新高速集寧至呼和浩特段的一座重要大橋，它在內蒙古集寧市十八臺鄉上跨京包鐵路，為盡量減少施工對京包鐵路運營的影響，而采用轉體施工工藝.橋址處常年多強陣風，因此風對結構的作用在設計中值得關注.

該橋主墩為群樁基礎，采用鉆孔施工，承臺采用機械開挖澆筑，主墩為現澆實心墩，主梁上部結構為2×75 m單T形變截面連續箱梁，鐵路兩旁搭架現澆，澆筑完后轉體合龍.

1大懸臂T構的動力特性分析

利用ANSYS建立T構轉體橋的有限元模型，采用beam188梁單元建模.beam188單元能夠較好的模擬變截面箱梁，用戶可利用其自定義截面功能先行定義箱梁截面，并進行映射網格劃分，以保證單元兩端截面的拓撲結構相同[1-2].

為方便有限元計算，本文中截面模型的網格劃分全部采用二維四邊形網格.上述京包鐵路分離式立交橋的轉體施工大懸臂T形剛構有限元模型見圖1.

圖1　T形剛構橋有限元模型

研究轉體施工T形剛構橋的動力特性對其抗風分析具有重大意義.研究轉體施工T形剛構橋的動力特性主要就是研究T構的自振頻率、阻尼與振型，分析振型特點.模態分析是近代發展起來的一種研究結構動力特性的方法，在工程領域具有一定的實用性.其實質就是特征值和特征向量的求解問題，比如，本文的T構，其特征值就是該T構的一些基本振型對應的頻率，這些頻率下易引起T構的共振，應該避開，而頻率的大小可以反映出T構的整體剛度.本文采用ANSYS模態分析中的subspace模塊對該大懸臂T構進行了模態分析，提取出大懸臂T構的前10階振型，其自振頻率及振型特點見表1.

表1　T形剛構梁段大懸臂狀態動力特性

2大懸臂T構抖振時域分析

風荷載必須先轉換為氣動力的時域表達形式，方能利用一般的有限元方法做有限元時程分析.按照常規做法，風荷載被分成3部分加載到橋梁結構上計算，它們分別是靜力風荷載、脈動風引起的抖振力,以及流固耦合引起的自激力.

2.1靜風力

橋梁設計的基本風速可通過文獻[3]根據地區查得，這個風速是指橋梁距離下方的地面或水面10 m的地方，能夠發生的百年一遇的10 min平均風速的最大值.其他高度的風速可由基本風速通過以下公式換算得出.

(1)

式中：Ud為所求高度處的基準風速；U10為基本風速，即10 m高度處的基準風速；z為橋梁主梁距離地面或水面高度；α為地面粗糙度系數，根據地形查表可得.

從氣象部門統計的風速資料查出，本文研究的京包鐵路分離式立交橋橋址處的基本風速為27.4 m/s，橋址的地貌類別屬于II類，此處的α取值0.16，由式(1)計算可以得出本橋的設計基準風速為30.66 m/s.

作用在橋墩上的風荷載按照地面以上墩高0.65倍高度處的風速計算，本文按照0.65倍墩高處風速結果為28.62 m/s[4-5].

主梁在橫向風荷載作用下的單位長度靜風力為

(2)

式中：FH為主梁單位長度靜風力；ρ為空氣密度，1.225 kg/m3；H為主梁截面高度；CH為主梁斷面的阻力系數.

橋墩上的風荷載大小計算公式為：

(3)

式中：AN為橋墩迎風面的面積大小.

2.2自激力

抖振力是由脈動風引起的，按照通常的做法，按照Scanlan的準定常氣動力理論，作用在主梁單位展長的抖振力時域表達式為

(4)

(5)

(6)

2.3自激力

氣動自激力表達式

(7)

將作用在單元的自激力等效變換到單元兩端節點上，節點的集中力可表示為

(8)

(9)

式中：L為單元長度.

將式(8),(9)用矩陣來表述，則可寫為

(10)

(11)

經過一系列的變化，橋梁結構自激力可通過結構位移、氣動剛度矩陣、氣動阻尼矩陣來表述，而剛度矩陣、阻尼矩陣僅由三分力系數控制，這樣便可以方便地在有限元計算中實現.

以上都是關于氣動自激力的理論公式的探討，得出自激力的描述方法，接著要在有限元軟件(此處使用ANSYS)中實現加載自激力.這里可以使用ANSYS中的自定義的Matrix27單元，在主梁節單元點的位置，加入兩個Matrix27單元，輸入單元的氣動剛度矩陣以及阻尼矩陣，這樣計算的結果就是考慮了主梁結構自激力的.這種考慮自激力的方法簡便實用，而且也有學者實踐應用驗證[8-12].

根據表1，分析比較各階自振頻率以及振型，發現第三階以后的自振頻率明顯要比之前大的多，可見前三階的振型對橋梁的動力特性起著主導作用.觀察前三階振型，主要是產生橫橋向轉動位移和豎橋向轉動的位移及豎向彎矩，說明該T構梁段橫向、豎向抗推剛度較小，易擺動產生位移.

根據上述方法，得到時域化的抖振力，保存為Table格式的TXT文件，利用*TREAD命令導入到ANSYS中，在ANSYS有限元模型中加載抖振力和自激力做抖振時程計算.計算完成后，在時程后處理中查看結果，時程-位移及時程-轉角響應見圖2.

圖2　T構大懸臂狀態懸臂端時程曲線

從圖2可以得出，該橋最大懸臂狀態下風荷載抖振作用產生的沿橫橋向最大位移為2.087 41 cm，豎向最大位移為1.030 51 cm，懸臂端最大轉角為0.020 517 5 rad.

3結束語

本文以京包鐵路分離式立交橋為工程實例，對轉體施工的大懸臂T構進行了動力特性分析，得出其振型和自振頻率，其前三階振型占主導地位，從振型結果看出大懸臂狀態下結構橫向剛度較小，最容易發生失穩破壞.后文在此基礎上進行抖振時域分析，將氣動力分解為靜風力、抖振力和自激力進行加載，運用有限元軟件進行運算，根據時程后處理的結果，結構在風荷載的作用下是較為安全的，但是風荷載的作用依然不可忽略，在橋梁設計中應當加以考慮.

參 考 文 獻

[1]翟鵬程.轉體梁施工中的不平衡問題及風致振動研究[D].北京：北京交通大學，2008.

[2]陳政清.橋梁風工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]中華人民共和國交通部.JTG/T D60-01-2004公路橋梁抗風設計規范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]項海帆.公路橋梁抗風設計指南[M].北京：人民交通出版社，1996.

[5]黃海元.連續剛構橋抗風分析與研究[D].西安：長安大學，2011.

[6]付彥峰.高墩大跨曲線連續剛構橋最大懸臂施工階段抖振響應分析[D].天津：天津大學，2007.

[7]黃海彬.高墩大跨連續剛構橋極限承載能力及抗風性能研究[D].長沙：中南大學，2011.

[8]SCANLAN R H,GADE R H.Motion of suspended bridge spans under gusty wind[J].J of Struc DIV ST9,1997(10)：155-159.

[9]THEODORSEN T.General theory of aerodynamic instability and the mechanism of flutter[R]. NACA Report No.496,Langley,Va.1995:244-251.

[10]DAVENPORT A G.Buffeting of a suspension bridge by storm winds[J].Struct.Div.,ASCE,1992，88(3)：233-268.

[11]曾憲武，韓大建.大跨橋梁風致抖振時域分析及在ANSYS中的實現[J].橋梁建設，2004(1):9-12.

[12]曹映泓，項海帆，周穎.大跨度橋梁非線性顫振和抖振時程分析[J].廣東公路交通，2000(1):38-42.

中圖法分類號：U44

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.003

收稿日期：2014-11-19

Study on Wind-resistance Behavior of Rotation
Contructed Large Cantilever T Structure

ZHANG Xiedong HUANG Weiwen

(Schooloftransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Before the T-shaped rigid frame bridge swivel, we need to remove the construction falsework. Then the bridge is in a large cantilever state, with small stiffness. It has poor stability under the action of wind. This paper analyzed the wind resistance performance of the T-shaped rigid frame bridge combine with the Beijing-Baotou railway separate package overpass in Jining, Inner Mongolia. Considering the bridge site in a place with big wind velocity, this paper has great practical significance and theoretical value. By conduct the time domain buffeting analysis of the bridge, the paper got the time history displacement response result. The large cantilever T structure has smaller lateral stiffness and larger displacement. The results show that the structure is secure under wind load effect. However, the role of wind load can not be ignored.

Key words：rotation construction; large cantilever; time domain buffeting analysis

*內蒙古自治區交通科技項目資助(批準號：NJ-2012-18)