馬 韜

曹妃甸跨納潮河大橋抗風(fēng)穩(wěn)定性分析

馬 韜

以曹妃甸跨納潮河大橋?yàn)楸尘?對(duì)三跨雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土寬橋面部分斜拉橋進(jìn)行了動(dòng)力特性和抗風(fēng)穩(wěn)定性分析,并進(jìn)行了部分斜拉橋和相應(yīng)連續(xù)梁橋的空間動(dòng)力特性對(duì)比計(jì)算。結(jié)果表明,部分斜拉橋的力學(xué)特性接近連續(xù)梁橋,基本自振周期短,抗扭剛度大,抗風(fēng)性能良好。

部分斜拉橋,雙塔單索面,動(dòng)力分析,抗風(fēng)穩(wěn)定性,顫振穩(wěn)定性

部分斜拉橋是從體外預(yù)應(yīng)力橋發(fā)展而來的一種新型結(jié)構(gòu)體系,其特點(diǎn)是塔較矮、梁的剛度大、索的貢獻(xiàn)較小。部分斜拉橋是以梁的直接受彎、受壓、受剪和索的受拉共同承受豎向荷載,較好的結(jié)合了連續(xù)梁和斜拉橋的優(yōu)點(diǎn)[1]。本文以曹妃甸跨納潮河大橋?yàn)楣こ瘫尘?對(duì)三跨雙塔單索面寬橋面部分斜拉橋的動(dòng)力特性和抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究。

1 工程概況

曹妃甸跨納潮河大橋采用(80+128+80)m雙塔單索面預(yù)應(yīng)力混凝土部分斜拉橋,橋?qū)?38.5m,雙向六車道。結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié),橋墩上設(shè)支座的連續(xù)梁形式。主梁采用單箱五室大懸臂箱梁,支點(diǎn)梁高5.0m,跨中梁高2.8m,箱梁頂寬37.5m,人行道板懸挑0.5m。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

跨納潮河大橋動(dòng)力分析采用Midas Civil 7.41有限元程序計(jì)算,計(jì)算模型采用最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)兩種模型分別計(jì)算施工階段和運(yùn)營(yíng)階段的動(dòng)力特性。計(jì)算模式著重于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件的模擬。目前應(yīng)用較多的大跨度橋梁的計(jì)算模型主要有三種：魚骨式、雙梁式和三梁式。其中魚骨式模型適用于扭轉(zhuǎn)剛度較大的閉口箱形截面主梁[2]。本橋在計(jì)算中采用魚骨式模型,主要自振頻率及振型見表 1,表 2。從表 2中可知,本橋第一振型為主梁的豎向彎曲,自振周期為 1.22 s。其基本自振周期較短,不屬于柔性結(jié)構(gòu),而通常斜拉橋的基本自振周期均在 2 s以上,大跨度的斜拉橋的基本自振周期在 5 s以上[1-3]。部分斜拉橋的基本自振周期介于連續(xù)梁橋與斜拉橋之間。

表 1 最大懸臂狀態(tài)自振頻率及振型特點(diǎn)

3 結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能分析

橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振問題可以按照結(jié)構(gòu)振動(dòng)形式分為五類,即顫振、馳振、渦振、抖振和拉索風(fēng)振[3]。針對(duì)部分斜拉橋的動(dòng)力特性,本橋主要分析了主梁的顫振。

表 2 成橋狀態(tài)自振頻率及振型特點(diǎn)

3.1 設(shè)計(jì)風(fēng)速

基本風(fēng)速按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范附錄A中的全國(guó)基本風(fēng)速及全國(guó)各氣象臺(tái)站基本風(fēng)速和基本風(fēng)壓值,及JTG/T D60-01-2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范附錄A中的全國(guó)基本風(fēng)速值和基本風(fēng)速分布圖[4-6]。主梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)高度 Z=12 m,主塔設(shè)計(jì)基準(zhǔn)高度Z=31m。百年重現(xiàn)期風(fēng)速V10=27.1m/s,地表狀況：A類,運(yùn)營(yíng)階段主梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速：Vd主梁=1.194×27.1= 32.36m/s,運(yùn)營(yíng)階段主梁靜陣風(fēng)風(fēng)速：Vg主梁=1.255×32.36= 40.61m/s,運(yùn)營(yíng)階段主塔設(shè)計(jì)風(fēng)速：Vd塔=1.345×27.1=36.45m/s,施工階段主梁設(shè)計(jì)風(fēng)速：Vsd主梁=0.84×32.36=27.18m/s,施工階段主塔設(shè)計(jì)風(fēng)速：Vsd塔=0.84×36.45=30.62m/s。

3.2 顫振穩(wěn)定性驗(yàn)算

3.2.1 顫振檢驗(yàn)風(fēng)速

各階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速見表 3。3.2.2 顫振臨界風(fēng)速

表3 顫振檢驗(yàn)風(fēng)速 m/s

各階段顫振臨界風(fēng)速見表4。對(duì)于本橋B/H=37.5/5=7.5,介于4～8之間,可用Vcr=5ft×B計(jì)算顫振臨界風(fēng)速[5,6]。

成橋狀態(tài)：Vcr=5×2.78×37.5=521.3m/s。

最大雙懸臂施工狀態(tài)：Vcr=5×2.75×37.5=515.6m/s。

顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,不會(huì)發(fā)生顫振。

3.2.3 顫振穩(wěn)定性的分級(jí)

本橋在成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)及最大雙懸臂施工狀態(tài)的抗風(fēng)穩(wěn)定性等級(jí)為Ⅰ級(jí),表明抗風(fēng)穩(wěn)定性十分安全。

表4 彎扭耦合顫振臨界風(fēng)速

4 結(jié)語

1)部分斜拉橋由于其主梁抗彎、抗扭剛度大,基本自振周期較短,不屬于柔性結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性主要由梁的動(dòng)力特性決定,接近連續(xù)梁橋的動(dòng)力特性。

2)對(duì)于部分斜拉橋,其主要振動(dòng)形式為主梁的豎向彎曲,主梁扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)很晚。盡管單索面布置使索不能提供抗扭能力,但是主梁抗扭剛度很大,扭轉(zhuǎn)基頻與豎向基頻之比在 2以上,因此彎扭耦合顫振臨界風(fēng)速明顯提高,有良好的抗風(fēng)性能。

[1] 劉世忠,歐陽永金.獨(dú)塔單索面部分斜拉橋力學(xué)性能及建設(shè)實(shí)踐[M].北京：中國(guó)鐵道建設(shè)出版社,2006.

[2] 陳政清.橋梁風(fēng)工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[3] 項(xiàng)海帆.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實(shí)踐[M].北京：人民交通出版社,2005.

[4] JTG D 60-2004,公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范[S].

[5] JTG/T D60-01-2004,公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[6] 項(xiàng)海帆.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南[M].北京：人民交通出版社,1996.

The stability analysis of Caofeidian across Chaohe Bridge resistance wind

MA Tao

Take the Caofeidian across Chaohe Bridge as a background,analysed the dynam ic characteristics and wind resistance stability for three spans towerswith single cab le plane prestressed concrete cable-stayed wide deck bridge part.Make compared calcu lation for the partof cable-stayed bridge and the corresponding continuous girder bridge space dynamic characteristics.The results showed that themechanicalproperties of the part cable-stayed bridge are close to continuous girder bridge,the basic self-vibration cycle is short,the w rest resistant stiffness big, the wind resistance is good.

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U 442.59

A

1009-6825(2011)09-0174-02

2010-11-24

馬 韜(1977-),男,碩士,工程師,中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,陜西西安 710043