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        三塔大跨斜拉橋風(fēng)致響應(yīng)研究

        2019-07-20 09:39:12張明金嚴乃杰
        四川建筑 2019年6期
        關(guān)鍵詞:結(jié)合處靜風(fēng)風(fēng)致

        陳 強, 張明金, 嚴乃杰

        (西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院, 四川成都 610031)

        隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展,人們對交通運輸業(yè)的需求與日俱增,橋梁的建造技術(shù)得到相應(yīng)發(fā)展,大跨度橋梁不斷涌現(xiàn),例如明石海峽大橋、泰州長江公路大橋以及正在修建的墨西拿海峽大橋等大跨度懸索橋[1-4],墨西哥墨茲卡拉大橋、香港汀九大橋和岳陽洞庭湖大橋等大跨度斜拉橋[5-8]。而隨著橋梁跨度不斷增大,橋梁結(jié)構(gòu)變得越來越柔,對風(fēng)荷載越來越敏感,橋梁風(fēng)毀事故也頻頻發(fā)生。自1940年塔科馬大橋風(fēng)毀事故起,橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動受到重視,大量學(xué)者對其發(fā)生機理進行深入研究。例如Theodorsen于1934年首次提出了結(jié)構(gòu)發(fā)生顫振失穩(wěn)的基本原理[9];1962年,Davenport估計了橋梁結(jié)構(gòu)的抖振響應(yīng)[10];1977年,Scanlan對Davenport的經(jīng)典抖振模型進行了修正[11]。目前,精細化地研究大跨度橋梁風(fēng)致振動機理已成為重點方向[12-13],其中包括各類復(fù)雜地形對風(fēng)場的影響[14-15],大跨度橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能成為設(shè)計過程中所必須考慮的關(guān)鍵因素[16]。

        由于斜拉橋具有經(jīng)濟、施工方便等的優(yōu)點,斜拉橋的建造越來越多,斜拉橋的抗風(fēng)性能也是設(shè)計過程中重點研究對象。文獻[17]~[21]對獨塔斜拉橋和雙塔斜拉橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性進行了研究,分析對比了主梁截面型式,橋塔結(jié)構(gòu)形式、主梁寬度、橋墩間距和橋塔高跨比等設(shè)計參數(shù)對橋梁抗風(fēng)性能的影響。隨著交通的進一步發(fā)展,三塔斜拉橋也逐漸出現(xiàn),而目前少有文獻對三塔大跨斜拉橋風(fēng)致響應(yīng)進行研究,因此,研究三塔大跨斜拉橋的風(fēng)致響應(yīng)具有一定的意義。本文以某三塔大跨斜拉橋為例,計算分析了三塔大跨斜拉橋在靜風(fēng)和脈動風(fēng)作用下主梁的風(fēng)致響應(yīng)特征。

        1 橋梁簡介

        該三塔斜拉橋整體布置見圖1,跨徑布置為45 m+120 m+2×400 m+120 m+45 m,兩側(cè)邊跨分別設(shè)置一個輔助墩和一個過渡墩。中間塔高約為180 m,兩側(cè)塔高約為160 m。主梁寬32 m,高3 m,其中邊跨51 m范圍為混凝土梁,其余梁段為工字鋼和混凝土板的疊合梁。

        圖1 整體布置(單位:m)

        2 橋址區(qū)風(fēng)特性

        2.1 風(fēng)速標準

        橋址區(qū)位于低層建筑稀少地區(qū),根據(jù)文獻[22],該地區(qū)地表類型取為B類,地表粗糙度取0.16,百年一遇10 min,年平均最大風(fēng)速V10=24.3m/s。主梁與平均通航水位距離d=65.85m,風(fēng)速沿高度變化的修正系數(shù)K1B=1.0×(d/10)0.16=1.352,則橋面高程處設(shè)計基準風(fēng)速為U(d)=K1B×V10=32.9m/s。

        2.2 風(fēng)譜特性

        在缺少抖振場實測數(shù)據(jù)的情況下,在水平方向和豎直方向的抖振風(fēng)速功率譜分別采用以下公式[22]:

        (1)

        (2)

        式中:Su(n)為抖振水平方向的功率譜密度函數(shù);Sw(n) 為抖振豎直方向的功率譜密度函數(shù);n為風(fēng)的頻率;f為折算頻率;u*為氣流摩擦速度。

        3 橋梁有限元模型

        采用ANSYS對橋梁結(jié)構(gòu)進行離散,其中,主梁、橋塔和橋墩采用梁單元Beam4模擬,斜拉索采用桿單元Link8模擬,二期荷載采用質(zhì)量點單元Mass21模擬,成橋狀態(tài)有限元模型見圖2,動力特性主要頻率和振型見表1。

        圖2 有限元模型

        表1 動力特性計算結(jié)果

        4 風(fēng)致效應(yīng)計算

        4.1 靜力氣動力參數(shù)計算

        圖3 成橋狀態(tài)主梁靜力三分力系數(shù)

        采用計算流體動力學(xué)軟件FLUENT求解,橋塔典型截面見圖4,靜風(fēng)氣動力參數(shù)采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分的定常計算方式,選用SSTk-ω湍流模型,壓力-速度耦合問題采用SIMPLEC算法。最后求得在平均風(fēng)風(fēng)偏角β=0°時,橋塔斷面阻力系數(shù)CD(β)為2.058,升力系數(shù)CL(β)為0.038和力矩系數(shù)CM(β)為0.012。

        圖4 橋塔典型截面(單位:m)

        4.2 靜風(fēng)及抖振響應(yīng)計算

        靜風(fēng)作用下的響應(yīng)為結(jié)構(gòu)在自重作用下,各個構(gòu)件受到靜風(fēng)作用時的位移及內(nèi)力。

        靜風(fēng)作用下,各構(gòu)件靜風(fēng)阻力FD、靜風(fēng)升力FL及靜風(fēng)力矩FM[22]分別為:

        (3)

        (4)

        (5)

        式中:ρ為空氣密度;H為構(gòu)件高;B為構(gòu)件寬;L為構(gòu)件度。

        脈動風(fēng)作用下的響應(yīng)分析基于隨機理論,采用多模態(tài)耦合分析的頻域分析法[22-25]。脈動阻力D、脈動升力L及脈動阻力M分別由自激力和抖振力組成:

        D=Dae+Dbu

        (6)

        L=Lae+Lbu

        (7)

        M=Mae+Mbu

        (8)

        式中:Dae為自激阻力;Lae為自激升力;Mae為自激力矩;Dbu為抖振阻力;Lbu為抖振升力;Mbu為抖振力矩。

        自激力采用Scanlan表達形式,抖振力采用準靜態(tài)表達,抖振位移響應(yīng)均方根通過對結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)功率譜密度函數(shù)積分得到,抖振內(nèi)力響應(yīng)采用SRSS方法進行組合。

        5 計算結(jié)果及分析

        采用橋面高程處設(shè)計基準風(fēng)速U(d)=32.9m/s,經(jīng)數(shù)值模擬計算分析,主梁在靜風(fēng)作用和脈動風(fēng)作用下的風(fēng)致動力響應(yīng)如圖5和圖6所示。

        (a) 主梁靜風(fēng)位移響應(yīng)

        (b) 主梁抖振位移響應(yīng)圖5 主梁風(fēng)致位移響應(yīng)

        由圖5(a)可知,在靜風(fēng)作用下,主梁橫橋向及豎向線位移在3#、4#和5#塔梁結(jié)合處、輔助墩及過渡墩處接近于0。橫橋向和豎向線位移極大值均在單跨跨中,其中橫橋向線位移最大值約為7 mm,豎向線位移最大值約為27 mm。順橋向線位移主要由豎向線位移引起,最大值約為1 mm。主梁靜風(fēng)線位移以豎向線位移為主,順橋向及橫橋向線位移較小。

        由圖5(b)可知,在脈動風(fēng)作用下,主梁抖振豎向線位移在3#、4#和5#塔梁結(jié)合處、輔助墩及過渡墩處接近于0。抖振豎向線位移極大值在單跨跨中,其中最大值約為20 mm。主梁抖振線位移以豎向線位移為主,順橋向及橫橋向線位移較小。

        因主梁截面整體抗彎扭剛度較大,靜風(fēng)扭轉(zhuǎn)角及抖振扭轉(zhuǎn)角均較小。由圖6(a)可知,在靜風(fēng)作用下,主梁橫橋向和豎向剪力在3#、4#和5#塔梁結(jié)合處存在突變點。橫橋向和豎向剪力最大值在4#塔橋結(jié)合處,分別約為200 kN和640 kN。軸力極大值在3#、4#和5#塔梁結(jié)合處,其中最大值約為1 500 kN。因橋梁結(jié)構(gòu)對稱特性,三個方向截面力近零值點均在單跨跨中。主梁靜力軸力較橫橋向及豎向剪力大。

        由圖6(c)可知,在脈動風(fēng)作用下,主梁抖振軸力極大值在3#、4#和5#塔梁結(jié)合處,其中最大值約為530 kN。橫向剪力在輔助墩處達到最大值,約為150 kN。主梁抖振軸力較橫橋向剪力及豎向剪力大得多。

        由圖6(b)可知,在靜風(fēng)作用下,主梁橫橋向彎矩極大值在3#、5#塔梁結(jié)合處及單跨跨中,其中最大值約為35 000 kN·m。主梁靜風(fēng)橫橋向彎矩較扭矩及豎向彎矩大得多。

        由圖6(d)可知,在脈動風(fēng)作用下,主梁抖振橫橋向彎矩極大值在3#、4#和5#塔梁結(jié)合處及單跨跨中,其中最大值約為18 000 kN·m。豎向彎矩極大值出現(xiàn)在4#塔梁結(jié)合處、單跨跨中及輔助墩處,其中最大值約為20 000 kN·m。主梁抖振橫橋向彎矩及豎向彎矩較扭矩大得多。

        (a) 主梁靜風(fēng)力

        (b) 主梁靜風(fēng)力矩

        (c) 主梁抖振力

        (d) 主梁抖振力矩

        6 結(jié)論

        對三塔大跨斜拉橋成橋狀態(tài)風(fēng)致響應(yīng)進行了數(shù)值模擬計算,通過對比主梁各節(jié)點位移和內(nèi)力,可得出以下結(jié)論:

        (1)靜風(fēng)作用下,主梁以豎向線位移為主,順橋向和橫橋向線位移較小。主梁截面軸力和豎向剪力較大,橫橋向剪力較小,截面橫橋向彎矩較扭矩及順橋向彎矩大。

        (2)脈動風(fēng)作用下,主梁抖振以豎向線位移為主,順橋向和橫橋向線位移較小,且抖振線位移較靜風(fēng)線位移小。主梁截面以軸力為主,橫橋向剪力和豎向剪力相對較小,截面彎矩以橫橋向和豎向彎矩為主,扭矩相對較小。

        (3)因橋塔、橋墩的約束以及主梁截面抗彎扭剛度較大,主梁的靜風(fēng)和抖振扭轉(zhuǎn)角均較小。

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