王宜航 周丹丹

摘 要：以國內(nèi)某山區(qū)人行懸索橋為研究對象，針對其柔度大，抗風(fēng)性能差的特點，利用有限元軟件分析了增設(shè)中央扣以及不同中央扣布置方案對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果。研究結(jié)果表明：增設(shè)中央扣，提高了結(jié)構(gòu)整體剛度，而且不同類型的設(shè)置方式，對主梁約束作用不一樣，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的提高有所差異，剛性比柔性中央扣對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善更有利，其中，單聯(lián)剛性中央扣對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)最有利。

關(guān)鍵詞：人行懸索橋;柔度大;中央扣;抗風(fēng)性能

中圖分類號：U448.25文獻標(biāo)識碼：A

0 引言

本文結(jié)合工程實例，借助有限元分析軟件建立了空間結(jié)構(gòu)模型，然后在主跨跨中分別布置單聯(lián)、三聯(lián)、五聯(lián)柔性和剛性中央扣，通過研究設(shè)置中央扣對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的改變，來分析中央扣對所研究的人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果，同時對比了柔性和剛性中央扣及其布置方式在改善效果方面存在的差異性。

1 研究背景

人行懸索橋自重輕、結(jié)構(gòu)柔，抗風(fēng)穩(wěn)定性差，在極端大風(fēng)環(huán)境中容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者針對懸索橋抗風(fēng)措施進行了大量研究，并取得了一些成果。白樺等[1]通過數(shù)值計算和風(fēng)洞試驗研究了45°抗風(fēng)纜、一聯(lián)中央扣、降低矢跨比等抗風(fēng)措施對國內(nèi)某人行懸索橋抗風(fēng)性能的改善效果。葛耀君[2]通過有限元分析和節(jié)段模型風(fēng)洞試驗探討了潤揚長江大橋和舟山西堠門大橋的顫振性能及其控制措施。何晗欣等[3]通過有限元計算和風(fēng)洞模型試驗，分別研究了抗風(fēng)纜、橋面開孔、中央扣等抗風(fēng)措施對新疆賽吾迭格爾大橋顫振性能的改善。廖海黎等[4]研究了固定翼板和主動控制翼板，結(jié)果表明，附設(shè)空氣動力擾流板可以有效改善懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性。陳政清等[5]研究了舟山西堠門大橋長細吊索風(fēng)振問題抗風(fēng)減振方法。鞏明等[6]利用ANSYS有限元軟件通過不斷迭代的方法研究了某人行懸索橋主纜及抗風(fēng)纜找形方法，對其設(shè)置抗風(fēng)纜后有效改善了該懸索橋抗風(fēng)性能。宋錦忠等[7]探討了改善橋梁抗風(fēng)性能的幾種氣動措施及其作用機理。姜天華[8]從空氣動力學(xué)措施、機械措施、結(jié)構(gòu)措施三方面，針對大跨度橋梁抗風(fēng)措施數(shù)十年來的研究進展，進行了系統(tǒng)性回顧。

2 工程背景

某山區(qū)人行懸索橋，結(jié)構(gòu)形式雙塔三跨，橋跨布置（30+183+61）m，橋面寬4.4 m。加勁梁采用縱橫梁體系，由縱梁、橫梁、斜撐連接而成，材料均為Q345鋼，按每3 m為一個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，與吊桿相連。吊桿鋼絲繩Φ40 mm，材料為Wire 1 770，吊桿間距順橋向3 m?？臻g索面主纜垂跨比1/10，塔頂處間距6.0 m，跨中處間距4.4 m，材料為Φ50 mm的ZAA6-37WS-IWR1870鋼絲繩，每根索布置7根平行鋼絲束。門架式橋塔為變截面結(jié)構(gòu)，塔頂尺寸1 m×1.8 m，塔底尺寸1 m×3 m，按線性規(guī)律變化，為混凝土實心結(jié)構(gòu)，高度25 m。總體布置見圖1。

3 有限元模型建立

3.1 材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)模型材料參數(shù)取值見表1。

3.2 邊界條件

不改變結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時，簡化模型邊界條件，具體處理方式見表2。在實際結(jié)構(gòu)中，兩橋塔下橫梁位置處的加勁梁并不連續(xù)，因此，建模時將其分成三片，每片按照簡支梁來考慮，邊界條件處理為：一邊固定，一邊鉸接。

（2）×：約束該方向自由度;○：放松該方向自由度;※：在剛性連接中約束該方向自由度。

3.3 模型建立

簡化處理模型邊界條件，確保實際結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計要點兩方面不發(fā)生改變。以中跨跨中的外側(cè)點位作為坐標(biāo)原點，依據(jù)材料、荷載參數(shù)，建立有限元空間結(jié)構(gòu)模型。全橋模型如圖2所示。

4 動力特性計算

借助Midas/Civil 2015有限元軟件進行模態(tài)分析，采用一致質(zhì)量矩陣模式，提取結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)，前10階頻率值、振型分布特點見表3。

由表3計算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

該人行懸索橋第一階自振頻率為0.245 2 Hz，表明結(jié)構(gòu)柔度較大，側(cè)向抗彎剛度較弱;結(jié)構(gòu)正對稱扭彎頻率比（一階正對稱扭轉(zhuǎn)頻率與一階正對稱豎彎頻率的比值）較低，數(shù)值為1.38，說明結(jié)構(gòu)抗扭剛度弱，抗風(fēng)性能差，需要對其采取抗風(fēng)措施。

5 中央扣對抗風(fēng)性能改善

5.1 中央扣布置方案

在主跨跨中分別布置單聯(lián)、三聯(lián)、五聯(lián)柔性和剛性中央扣，以驗證中央扣對所研究的人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果，同時比較柔性和剛性中央扣及其布置方式對該橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果，工況一到工況六分別為：單聯(lián)柔性中央扣、單聯(lián)剛性中央扣、三聯(lián)柔性中央扣、三聯(lián)剛性中央扣、五聯(lián)柔性中央扣、五聯(lián)剛性中央扣，其中單聯(lián)、三聯(lián)、五聯(lián)中央扣布置位置和布置形式如圖3～圖5所示。

5.2 不同方案抗風(fēng)性能分析

利用有限元軟件計算并提取結(jié)構(gòu)前30階頻率和振型，六種中央扣布置工況下結(jié)構(gòu)自振特性與原方案對比見表4。原方案和六種中央扣布置工況典型基頻對比見圖6。

由表4和圖6可知：

（1）增設(shè)中央扣較原方案而言，一階反對稱豎彎頻率提高明顯，工況一增加最少，增加23.1%，工況五增加最多，增加47.3%，且基本呈現(xiàn)上升趨勢，原因在于中央扣使得主纜和加勁梁于跨中連接，起到限制縱向位移的作用，結(jié)構(gòu)整體剛度因此得到提高。

（2）設(shè)置中央扣后，結(jié)構(gòu)反對稱抗扭剛度增加，一階反對稱扭轉(zhuǎn)振型晚一階出現(xiàn)，一階反對稱扭轉(zhuǎn)頻率較原方案增加明顯，工況六增加最多，增加45.8%，工況一增加最少，增加20%。

（3）設(shè)置中央扣后，除工況一外，結(jié)構(gòu)一階正對稱扭轉(zhuǎn)頻率略有提高，工況六提高最大，提高近9%。

（4）在低階模態(tài)中，不同振型對中央扣敏感程度不一樣，一階反對稱扭轉(zhuǎn)振型最為敏感，一階反對稱豎彎振型次之，一階正對稱側(cè)彎振型最不敏感。

（5）設(shè)置中央扣會使得結(jié)構(gòu)頻率有所提高，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)有利。而且，不同類型的設(shè)置方式，對主梁約束的作用不一樣，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的提高有所差異。

正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比能夠正確反映出結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性，二者取值越大，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)越有利。原方案和六種工況扭彎頻率比見表5。原方案和六種工況扭彎頻率比變化趨勢見圖7。

由表5和圖7可知：

（1）工況二的正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比最大，工況五的正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比最小，表明工況二單聯(lián)剛性中央扣對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)最有利，同時節(jié)約材料。

（2）工況四的三聯(lián)剛性中央扣正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比次之，工況六的五聯(lián)剛性中央扣正對稱扭彎頻率比第三，反對稱扭彎頻率比略小于原方案，表明剛性中央扣相較柔性中央扣而言，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的提高更有利，建議在提高人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性時，相較柔性中央扣而言優(yōu)先選用剛性中央扣。

6 結(jié)論

（1）增設(shè)中央扣的各工況結(jié)構(gòu)一階反對稱豎彎頻率和一階反對稱扭轉(zhuǎn)頻率明顯提高，而且一階反對稱扭轉(zhuǎn)振型晚一階出現(xiàn);在低階模態(tài)，不同振型對中央扣敏感程度不一樣。

（2）設(shè)置中央扣能夠改善人行懸索橋抗風(fēng)性能，并且不同的布置方式，提高效果不同，剛性比柔性中央扣在改善抗風(fēng)性能上更有利，單聯(lián)剛性中央扣改善效果相較而言最佳。

參考文獻：

[1]白樺，李德鋒，李宇，等.人行懸索橋抗風(fēng)性能改善措施研究[J].公路，2012（12）：1-6.

[2]葛耀君.大跨度橋梁抗風(fēng)的技術(shù)挑戰(zhàn)與精細化研究[J].工程力學(xué)，2011（S2）：11-23.

[3]何晗欣，劉健新.大跨窄懸索橋抗風(fēng)措施及其優(yōu)化研究[J].公路交通科技，2010（3）：93-97+102.

[4]廖海黎，奚紹中.改善大跨度橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性的建議[J].國外橋梁，1999（3）：60-63.

[5]陳政清，雷旭，華旭剛，等.大跨度懸索橋吊索減振技術(shù)研究與應(yīng)用[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2016（1）：1-10.

[6]鞏明，劉玉輝，張彥玲，等.基于ANSYS的人行懸索橋主纜及抗風(fēng)纜找形方法研究[J].國防交通工程與技術(shù)，2018（5）：26-29+11.

[7]宋錦忠，林志興，徐建英.橋梁抗風(fēng)氣動措施的研究及應(yīng)用[J].同濟大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2002（5）：618-621.

[8]姜天華.大跨度橋梁風(fēng)致振動控制研究[D].武漢理工大學(xué)，2009.