某簡支梁橋的抖振響應分析

羅文暉

摘要：橋梁施工技術不斷進步成熟，促使了當今城市、公路橋梁向大跨度的方向發展。隨著跨度的不斷增加，橋梁的剛度變小，柔度增大，對風的敏感度提高。所以，橋梁的風致響應分析是橋梁建設領域的一個重要課題。本文以小跨度簡支梁橋為工程背景，簡單介紹橋梁抖振振動響應的數值模擬過程以及相關的理論基礎，包括：脈動風速時程模擬、截面三分力系數模擬、荷載時程模擬以及橋梁抖振結構響應分析。

關鍵詞：簡支梁;抖振;脈動風;三分力系數;荷載時程

引言

自然風由平均風和脈動風組成。其中，平均風是常量，不隨時間變化，而脈動風隨時間不斷變化。風對橋梁的荷載響應形式包括靜風荷載、抖振、馳振、顫振和渦激振動。風對橋梁的靜力荷載是由平均風引起的，靜風會使橋梁結構發生扭轉失穩和側彎失穩。

抗風設計中，要求把抖振的最大振幅限制在可接受的范圍內，以避免結構的疲勞、人感不適以及行車不安全等問題[1]。本文的分析對象是小跨徑簡支梁橋，剛度相對比較大，抖振分析是本文的分析對象。

1.脈動風模擬

目前對脈動風的模擬的方法主要有兩種，即諧波分析法和線性濾波法。諧波分析方法計算量比較大。相反，AR模型具有速度快、計算量小和精度高的特點，得到廣泛的應用[2]。本文采用的方法是AR模型。本文以跨徑為20m的簡支梁為工程背景，整個結構由20個單元，21個節點組成，每個單元的單元長度均為1m。主梁高度設為20m。

脈動風速水平方向分量采用Kaimal風速譜，豎向方向分量采用Panofsky風速譜。平均風速假設為24.1m/s。模擬結果如下：

2.動力風荷載

2.1 截面三分力系數

通過風洞實驗測定經理三分力系數來描述風對橋梁的靜力作用，但需要縮尺模型，且具有周期長、成本高、不能進行強風暴雨模擬等特點[3]。前人經過對比風洞實驗和CFD數值模擬結果，證明了CFD模擬的精確性。本文利用Fluent軟件，模擬計算整體式肋梁截面的靜力三分力系數。

圖9可見，縱橋向位移為0，對比圖7中的瞬態分析縱橋向位移，說明風動力荷載會引起縱橋向的微小振動，但振動幅度很小。從Ansys計算可知，跨中節點的位移放大系數，在100s時間內，大部分時候保持在之間。由于結構振動的滯后性，使少數時間點對應的位移放大系數很大，達到1000左右。

4 結論

本文以小跨徑簡支梁橋為工程背景，介紹了數值模擬風譜和計算三分力系數并通過Ansys建模計算抖振響應的過程，計算結果表明：在升力、阻力和力矩的作用下，橋梁主要振動響應是橫橋向和豎向的振動;在100s的時間內，橋梁跨中的線位移比兩邊的線位移大;通過對比靜態分析的結果，發現跨中節點位移放大系數大部分時間保持在之間，個別的比較大，其原因可能是結構振動的滯后性。

參考文獻

[1] 高墩大跨連續剛構橋的風致響應分析.

[2] 基于AR模型的空間脈動風速時程模擬方法研究.

[3] CFD在橋梁斷面靜力三分力系數計算中的應用.

[4] 高墩大跨連續剛構橋的風致響應分析.

[5] 大跨度公路斜拉橋風致抖振時域分析.

[6] 關于橋梁結構的氣動導納.

[7] 橋梁風致響應的數值模擬.

（作者單位：華南理工大學土木與交通學院）