7 结语
悬索桥横梁的结构受力与其施工方案密切有关。
横梁施工采用两次浇筑两次张拉方案,可方便施工,减轻对混凝土供应量、支撑系统承载能力的要求,减少模板用量,有利于横梁的温控,但结构受力比较复杂,设计计算也比较复杂。设计过程中应根据施工单位实际情况,进行充分交流协商,确定既要满足受力要求,又要方便施工的方案。参考文献:
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1998.
[3] 钱冬生.大跨悬索桥的设计与施工[M ].成都:西南交通大学出版
社,1997.
[4] 吴寿昌,王立新,彭德运.润扬长江公路大桥总体设计[J ].铁道标
准设计,2003(3).
收稿日期:20050329
作者简介:曹海滨(1970—),男,工程师,1993年毕业于兰州铁道学院桥梁工程专业。
大跨度混合梁斜拉桥抗风性能分析
曹海滨
(朔黄铁路发展有限责任公司,河北肃宁 062350)
摘 要:某主跨480m 的混合梁斜拉桥,地处台风多发区,风环境较为恶劣。根据设计情况,笔者采用空间有限元法计算分析了其动力特性,并对其抗风性能进行评估,得知其抗风稳定性满足要求。另外,对主梁的抖振、涡激振及斜拉索的风雨振等问题进行了阐述。
关键词:混合梁;斜拉桥;动力特性;抗风性能中图分类号:U448127 文献标识码:B 文章编号:10042954(2005)10003603
1 工程概况
某桥主桥采用双塔双索面五跨连续混合梁斜拉
桥,跨径组合为(60+120+480+120+60)m 。主跨及120m 边跨采用鱼腹式钢箱梁,梁高310m ,标准梁段
斜拉索索距为16m;60m 次边跨采用鱼腹式混凝土箱
梁,C50混凝土,梁高310m ,标准梁段斜拉索索距为8m 。主塔采用曲线形钢筋混凝土结构,C50混凝土,塔高自承台以上15511m ,桥面以上塔高11318m 。桥型布置如图1所示。
2 设计基本风速、设计基准风速与主梁颤振检验风
速的确定
211 设计基本风速
大桥地处南亚热带,属季风气候,夏秋两季常有热带气漩侵袭,尤其8、9月份,最大风力在12级以上,瞬时极大风速为5014m /s 。根据交通部《公路桥涵设计
通用规范》
(JTJ 021—)中全国风压分布图,查得桥址处的基本风压值为1300Pa,故求得本桥的设计基本风速U 10=38113m /s 。212 设计基准风速
结合桥址处地形地貌和Ⅰ类地表粗糙度的实际情况,取无量纲修正系数K 1=1145,求得本桥在成桥运营状态下:主梁设计基准风速U d =K 1U 10=55129m /s 。施工阶段的设计基准风速按《公路桥梁抗风设计
指南》(以下简称《指南》)第101211条和第101212条可得:U s
d =0184U d =46144m /s 。213 颤振检验风速
根据《指南》第6111411条,颤振检验风速为:
[U cr ]=K μf U d
(1)式中 K ———综合安全系数,K =112;
μf ———无量钢修正系数,μf =11232。
因此,成桥运营状态下主梁颤振检验风速[U cr ]=8117m /s,对于施工阶段,主梁颤振检验风速[U cr s
]=0184[U cr ]=6816m /s 。3 动力特性311 计算模型建立
斜拉桥的动力特性是进行抗震、抗风分析的基础,而计算模型的选取又直接影响到结构的动力特性。计算模型的模拟应着重于结构的刚度、质量和边界条件的模拟,它们应尽量和实际结构相符。结构刚度模拟主要指杆件的轴向刚度、弯曲刚度、剪切刚度、扭转刚度,有时也包括翘曲刚度的模拟以及各杆件之间的相
互连接刚度如伸缩缝的模拟等。结构的质量模拟主要指杆件的平动质量和转动质量的模拟
[1,2]
。
据此,笔者采用“脊梁式”模型对该桥进行离散。把桥面系的刚度(竖向、横向、扭转刚度)和质量(平
曹海滨—大跨度混合梁斜拉桥抗风性能分析
・桥 梁
・
图1 桥型布置(单位:cm )
动、转动质量)按比例等效集中到中间和两边结点上,
梁与斜拉索之间采用刚臂单元连接,塔与斜拉索之间的连接处理为主从关系。全桥离散过程采用以下3种单元类型:(1)空间梁单元,用于模拟主梁和塔;(2)空间杆单元,用于模拟与塔相连接的斜拉索;(3)带刚臂空间杆单元,用于模拟与梁相连接的斜拉索。
计算中考虑了单元初始内力、大位移及拉索垂度效应等非线性影响因素。结构计算模型如图2所示
。
图2 计算模型
312 自振频率与振型
斜拉桥的自振特性包括固有频率、振型、阻尼等因
素。从桥梁结构动力反应的特点来看,动力作用(如地震、风、外部激振力等)主要激发结构少数低频振型的反应,高于一定频率值的振型对结构动力反应的贡献较小,可以忽略不计。
笔者分最大双悬臂、最大单悬臂、成桥运营3种工况分别进行计算,每一种工况采用子空间迭代法求出前20阶振型及频率。由于篇幅有限,在此仅列出各验算工况典型振型及频率,如表1所示。
表1 各验算工况主要动力特性
工况
竖弯基频/Hz 扭转基频/Hz ε
最大双悬臂状态019948118829113最大单悬臂状态01360911013521868成桥运营状态
013166
018632
21726
注:ε—扭弯频率比。
4 颤振临界风速的评估411 弯扭耦合颤振
对弯扭耦合颤振,其临界风速根据工程界普遍应用的Vander put 公式进行计算。
U cr1=ηs ηα[1+(
ε-015)0172
μ(r/b )]ωh b (2)
式中,ηs 为主梁断面形状影响系数,ηα为攻角效应系数,ε为扭弯频率比,μ为桥梁与空气的密度比,r 为惯性半径,b 为半桥宽,ωh 为基阶竖弯自振圆频率。
各验算工况的计算结果见表2。
412 分离流扭转颤振
分离流扭转颤振的临界风速由Herz og 公式计算。
U cr2=T -1
h B f t
(3)式中,T -1
h 为西奥多森数的倒数,B 为全桥宽,f t 为主梁基阶扭转自振频率。
各验算工况的计算结果见表2。
表2 各验算工况颤振临界风速评估
工况
r
/m b
/m
εμ
ωh
/(r/s )
f t
/Hz
η=ηs ηα
T -1h U cr 1/(m /s )U cr 2/(m /s )[U cr ]/(m /s )最大双悬臂状态81915121131319612505118829017287113021440812
6816最大单悬臂状态81915122186813192126761101350172871116819219176816成桥运营状态81915122172619131193018632017288141611822015
8117
注:ε—扭弯频率比;U cr 1—弯扭耦合颤振临界风速;U cr 2—分离流扭转颤振临界风速。
・桥 梁・
曹海滨—
大跨度混合梁斜拉桥抗风性能分析
从表2可以看出,施工阶段主梁颤振临界风速高达168m /s 以上,大于主梁相应颤振检验风速6816m /s;成桥状态主梁颤振临界风速高达160m /s 以上,大于主梁相应颤振检验风速8117m /s 。故本桥无论在施工阶段还是成桥运营阶段,均能有效地防止发散的自激风振,具有足够的抗风稳定性。413 颤振安全等级
最大双悬臂状态:m in T -1h =[U cr ]/(f t B )=112最大单悬臂状态:m in T -1
h
=[U cr ]/(f t B )=212
成桥运营阶段:m in T -1
h =[U cr ]/(f t B )=311
因此,该桥施工阶段颤振安全等级为Ⅰ级,通过抗风稳定性检算十分安全,可以不必进行施工阶段风洞试验;成桥阶段颤振安全等级为Ⅱ级,一般能满足抗风稳定性要求,但需要做颤振分析和节段模型风洞试验。5 有关抗风的其他问题511 主梁的抖振
抖振也称为紊流风响应[3]
。由于该桥地处台风登陆点,在台风登陆时,风速高,紊流强度大,因此,桥址区有产生脉动风的条件,施工阶段和成桥状态的抖振响应均应认真考虑,尤其是施工阶段,最大悬臂阶段尽量避开台风期。否则,须结合风洞试验进行抖振分析。针对抖振现象,可采取增设从悬臂端到主塔承台的斜拉风缆、U 形水箱、临时扣索、临时辅助墩等抗风措施。512 主梁的涡激振
风流经主梁时产生分离,由此在主梁顶面和底面诱导出不对称脱落的旋涡,使主梁顶面和底面出现交替变化的正负压力,由此诱发主梁的横向振动,即涡激振动。
(1)竖向涡激共振发生风速:U cr b =210f b B =1912m /s;
(2)扭转涡激共振发生风速:U cr θ=1133f t B =3419m /s 。
在桥址区,产生10m /s 左右的5级风是经常的,但产生2010m /s 左右的8级大风较少,而产生3010m /s 左右的暴风更少,因而主梁发生竖向涡激共振和扭转涡激共振的概率很小。513 主塔的风振及制振措施
本桥塔高自承台以上达15511m ,塔的侧向刚度较小,尤其是纵向刚度更小,独塔自立状态下可能发生的风振现象有:驰振、涡激共振。根据国内外大跨度斜拉桥的实践经验,对于不同的风振现象均有相应的对策。
结构是否会发生驰振现象,主要取决于结构横截面的外形。由于主塔采用混凝土矩形截面,一般情况下,不具备产生驰振的条件,若发生驰振,则可采用如下的制振措施。
(1)在塔顶安装调质阻尼器(T MD )来提高结构阻尼比,从而达到提高其驰振临界风速的目的。
(2)加大结构的刚度,提高竖弯基频f b 。
对于主塔涡激共振现象,可结合风洞试验对独塔的涡激共振现象加以研究,必要时可采取如下的制振措施。
(1)安装T MD 以提高阻尼比。
(2)施工期间,在塔顶处张拉临时缆索。514 斜索的风振及制振措施本桥主塔较高、跨度较大、索较长,斜拉索有发生涡激振、驰振、尾流驰振、抖振、风雨振的可能。由于桥址处风速高,紊流强度大,且会伴随着大雨,因此,有产生风雨振的条件。针对风雨振现象,可采取如下制振措施:(1)在拉索与主梁交接处附近安装粘性阻尼器;(2)在斜拉索的表面采取空气动力学对策,如螺钢丝方法,横向打磨方法,扭绞六边形和八边形等方法。6 结语
(1)该桥施工阶段颤振安全等级为Ⅰ级,抗风稳
定性好,可不必进行施工阶段风洞试验。成桥阶段颤振安全等级为Ⅱ级,一般能满足抗风稳定性要求,但需要做颤振分析和节段模型风洞试验。
(2)桥址处于台风登陆点,在台风登陆时,风速高,紊流强度大,有产生脉动风的条件。因此,施工阶段和成桥状态的抖振响应均应认真考虑,尤其是施工阶段,最大悬臂阶段尽量避开台风期。
(3)经分析,主梁发生竖向涡激共振和扭转涡激共振的概率很小。
(4)主塔较高、跨度较大、索较长,斜拉索有发生涡激振、驰振、尾流驰振、抖振、风雨振的可能,应采取相应的制振措施。另外,需结合风洞试验对斜拉索风雨振现象加以研究。
以上仅为理论分析,由于风本身的复杂性与不确定性,若有条件,尚需结合风洞试验加以验证。
该桥正在施工过程中,预计2005年底建成通车。参考文献:
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