張四國(guó)　張一卓　閆　旭

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津　300051)

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·橋梁·隧道·

基于ANSYS 的斜拉橋抖振性能時(shí)域分析

張四國(guó)張一卓閆旭

(天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津300051)

摘要:基于有限元法和隨機(jī)振動(dòng)的相關(guān)知識(shí)，利用ANSYS有限元軟件，建立了某擬建斜拉橋的仿真模型，進(jìn)行了抖振抗風(fēng)性能分析，得到了斜拉橋主梁和橋塔在順橋向及橫橋向時(shí)域風(fēng)場(chǎng)作用下的振動(dòng)響應(yīng)，評(píng)價(jià)了橋梁的抗風(fēng)性能，保證了橋梁的安全性、適用性和耐久性。

關(guān)鍵詞:有限元，斜拉橋，抖振，時(shí)域分析

顫振、馳振、抖振和渦振是橋梁在不定常風(fēng)場(chǎng)作用下發(fā)生振動(dòng)的四種主要形態(tài)，其中抖振是橋梁在大氣紊流作用下發(fā)生的一種隨機(jī)的強(qiáng)迫振動(dòng)，在較低風(fēng)速下也能發(fā)生，雖然幅度有限，不至于造成災(zāi)難性后果，但能夠增大橋梁結(jié)構(gòu)變形，造成結(jié)構(gòu)疲勞，從而威脅行車舒適性和施工安全，減少橋梁的使用壽命，因此，抖振分析是橋梁設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)［1-3］。對(duì)于柔性較強(qiáng)、截面復(fù)雜、跨度較大的橋梁，氣動(dòng)穩(wěn)定性十分復(fù)雜，大多需要借助風(fēng)洞試驗(yàn)精確得到三分力系數(shù)，并建立相應(yīng)的模型進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析，以確定橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能是否滿足要求，初步設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)于簡(jiǎn)單截面橋梁，可依據(jù)相應(yīng)規(guī)范［4］進(jìn)行簡(jiǎn)單的數(shù)值模擬。本文即利用ANSYS有限元軟件對(duì)擬建某斜拉橋的抖振抗風(fēng)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬分析和評(píng)價(jià)。

1　風(fēng)荷載數(shù)值模擬

空間中任意點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程一般認(rèn)為是平穩(wěn)的高斯過程，采用諧波合成法［5，6］可以根據(jù)風(fēng)功率譜密度函數(shù)模擬脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線，本工程所在地橋面處的設(shè)計(jì)風(fēng)速取為vd1=53．1 m/s，塔頂處設(shè)計(jì)風(fēng)速為vd2=60．6 m/s，時(shí)程總長(zhǎng)t=819．2 s，時(shí)間步長(zhǎng)t=0．05 s，截止頻率取10 Hz，頻率范圍等分?jǐn)?shù)N=4 096，則在Matlab中生成的橋面處節(jié)點(diǎn)、橋塔頂節(jié)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線見圖1。

圖1　節(jié)點(diǎn)脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程曲線

2　有限元建模

如圖2所示為跨度60 m+3×100 m+60 m的五跨斜拉橋結(jié)構(gòu)示意圖，由一根主梁和四個(gè)橋塔通過斜拉索連接而成，每個(gè)橋塔由對(duì)稱布置的四片不同空間角度的拱環(huán)組成，拱環(huán)之間也通過拉索連接傳力。為研究該斜拉橋的風(fēng)振性能，在主梁上選取98個(gè)點(diǎn)，每個(gè)橋塔選取68個(gè)點(diǎn)作為風(fēng)力加載節(jié)點(diǎn)。

圖2　風(fēng)荷載加載點(diǎn)位置示意圖（單位：cm）

在ANSYS建模過程中，混凝土主梁、鋼橋塔和橋墩分別用三維空間梁?jiǎn)卧狟eam188進(jìn)行模擬，斜拉索采用三維空間線性桿單元Link8進(jìn)行離散，斜拉索、鋼橋塔與主梁的剛性連接通過剛臂(彈性模量無窮大，質(zhì)量為零的Beam188單元)實(shí)現(xiàn);通過改變Link8單元的實(shí)常數(shù)施加初應(yīng)變的方法考慮斜拉索的初拉力;耦合支座處主梁和橋墩相應(yīng)節(jié)點(diǎn)的UX，UY和UZ平動(dòng)自由度模擬支座效應(yīng)，約束主梁繞縱軸的扭轉(zhuǎn)自由度和橋墩最下端節(jié)點(diǎn)的所有自由度。ANSYS中該橋有限元模型如圖3所示，全橋共劃分為692個(gè)節(jié)點(diǎn)、805個(gè)單元。

圖3　有限元模型示意圖

3　分析結(jié)果

選取主梁跨中點(diǎn)49、塔2塔頂上點(diǎn)34，分別給出了它們75 s內(nèi)的橫橋向風(fēng)、順橋向風(fēng)作用下的位移和加速度時(shí)程曲線，如圖4～圖7所示。

表1　橫風(fēng)荷載作用下控制點(diǎn)順風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)

表1給出了各控制點(diǎn)在橫風(fēng)荷載作用下的順風(fēng)向的位移平

圖4　橫橋向風(fēng)作用下加載點(diǎn)順風(fēng)向位移時(shí)程曲線

圖5　橫橋向風(fēng)作用下加載點(diǎn)順風(fēng)向加速度時(shí)程曲線

圖6　順橋向風(fēng)作用下加載點(diǎn)順風(fēng)向位移時(shí)程曲線

圖7　順橋向風(fēng)作用下加載點(diǎn)順風(fēng)向加速度時(shí)程曲線

表2給出了各控制點(diǎn)在順風(fēng)荷載作用下的順風(fēng)向的位移平均值和加速度均方差。

表2　順風(fēng)荷載作用下控制點(diǎn)順風(fēng)向振動(dòng)響應(yīng)

4　對(duì)抖振分析結(jié)果的評(píng)價(jià)

4．1對(duì)結(jié)構(gòu)安全性的影響

規(guī)范［7］中規(guī)定汽車荷載所引起的位移限值為1/600L，從分析結(jié)果可以看出，主梁在風(fēng)致抖振下位移值不到3 mm，遠(yuǎn)小于對(duì)類似條件下的位移限值。風(fēng)致抖振下橋塔的橫橋向、順橋向位移均方根值均較小，橋塔剛度足夠。風(fēng)致抖振下橋塔位移響應(yīng)最大值約為均方根值的2倍～3倍，應(yīng)考慮脈動(dòng)風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的影響。橋塔根部的抖振應(yīng)力最大值為35．4 MPa，橋塔應(yīng)力仍能滿足要求。

4．2對(duì)行人舒適度的影響

行人對(duì)振動(dòng)的感覺及反應(yīng)可用狄克曼指標(biāo)K來衡量［8］。狄克曼指標(biāo)K又稱振動(dòng)敏感度，狄克曼指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見表3。

表3　狄克曼指標(biāo)的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)風(fēng)致抖振時(shí)程分析結(jié)果計(jì)算得出主梁的狄克曼指標(biāo)為9．5，屬于行人“能忍受任意長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)”的區(qū)域。

5　結(jié)語

本文建立了某五跨斜拉橋的全橋有限元模型，基于譜分析的相關(guān)知識(shí)利用脈動(dòng)風(fēng)譜密度曲線在Matlab中生成了順橋向和橫橋向的風(fēng)速時(shí)程曲線，在ANSYS中進(jìn)行了時(shí)域抖振分析，得到了參考節(jié)點(diǎn)的位移、速度和加速度響應(yīng)。分析結(jié)果表明:斜拉橋的剛度足夠，在風(fēng)荷載下產(chǎn)生的位移滿足規(guī)范要求;橋塔根部最大應(yīng)力在容許應(yīng)力之內(nèi)，材料強(qiáng)度滿足要求;風(fēng)致振動(dòng)下的狄克曼指標(biāo)位于行人“能忍受任意長(zhǎng)時(shí)間振動(dòng)”的區(qū)域，行車舒適性滿足要求。

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中圖分類號(hào):U441

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1009-6825(2016)17-0162-02

收稿日期:2016-04-01

作者簡(jiǎn)介:張四國(guó)(1973-)，男，高級(jí)工程師;張一卓(1979-)，男，工程師;閆旭(1988-)，男，碩士均值和加速度均方差。

The time domain analysis of the cable-stayed bridge about buffeting performance based on ANSYS

Zhang SiguoZhang YizhuoYan Xu
(Tianjin Municipal Engineering Design＆Research Institute，Tianjin 300051，China)

Abstract:Based on the knowledge of FEM and random vibration，a simulation model of a building cable-stayed bridge about the buffeting performance was built using ANSYS．The lateral and longitudinal results of the beam and tower about the buffeting response under the influence of time domain wind load were obtained．The performance against wind of the cable-stayed bridge was evaluated according to the results so that the safety，applicability and durability can be assured．

Key words:FEM，cable-stayed bridge，buffeting performance，time domain analysis