您的当前位置:首页长跨柔性悬索桥风致抖振响应分析

长跨柔性悬索桥风致抖振响应分析

2023-08-09 来源:飒榕旅游知识分享网
钺验研完一 PRESTRESSTEC HNOLOGY 《{5i左 技末》2016年第6期总第1 19期 长跨柔性悬索桥风致抖振响应分析 詹刚毅 冯利坡 江西南昌330000 (1中铁上海设计院集团有限公司南昌院2常州市轨道交通发展有限公司 江苏常州 213022) 摘 要:以某主跨500 m的大跨度悬索桥为‘f 程背景,埘长跨柔性悬索桥在脉动风荷载作用下的抖振响应进 行了分析和计算,得到了一些有借鉴性的结论。模态分析表明,大跨度悬索桥的自振频率较低,为典型的 风敏感柔性结构。当同时考虑抖振力和白激JJ ̄T,,根 极值婵论可以得到悬索桥主梁的抖振位移响应极值, 结果表明,竖向、水平和扭转力‘向的最大抖振位移响心极值均发生在主跨跨中处,且数值较大,在结构设 计中不容忽略。 关键词:悬索桥动力响应极值脉动风荷载抖振 D01:10.13211/j.cnki.pstech.2016.06.004 随着科技的进步,人类生产生活的需要,桥 1/10.5,主梁宽26m、高2.5m,主梁断面及悬索桥 梁结构向大跨、轻质、高柔方向发展 目前,世 界斜拉桥的最大跨径已达1088m,为我国的苏通 长江大桥;悬索桥的最大跨径达1991m,为L1-本 的明石海峡大桥;而正在规划建设中的意大利墨 总体布置分别如图1和图2所示。 I J 』 Q ……; j 溥 蘧 西拿海峡大桥,主跨则达到惊人的3300m。跨径 的增大必然导致结构刚度的迅速下降,对于桥梁 图l三跨悬索桥主梁断面示意图(单位:mln) 这样一类处于大气边界层中的结构,受自然界中 风荷载的影响显著,在设计中需对其风致抖振响 应进行认真分析…I I。l9世纪60年代,Dave叩0l1I J 最先将随机振动理论引入到土木一1 程领域,并用 冈2三跨悬索桥跨径整体布置图(单位:1711) 采用离散结构的有限单元法建立悬索桥有限 元模型,结构主要参数如表1所示。本文分析采 用的是ANSYS,其中主梁和桥塔采用空间两单元 Beam4模拟,主缆和吊索采用空间索单元Link10 于解决脉动风引起的抖振问题。根据Davenporl抖 振分析理论,大跨度桥梁的抖振响应分析需考虑 抖振力和由于脉动风的非平稳性所引起的气动导 致的影响;Scanlan141认为在大跨度桥梁的抖振分 析中自激力的影响不容忽略,必须同时考虑白激 模拟,计算中暂不考虑桩土共同作用。经模态分 析后得悬索桥主梁前60阶振形,其一阶振形如图 3所示。 力和抖振力的影响。后来A.Jai 【5】f61、N.P J 0J l7l、 陈 人 】、丁泉顺 0等学者相继提出了相似的桥 梁抖振理论。本文以某主跨500m的大跨度悬索桥 通过模态分析可以发现, 跨悬索桥结构 的刚度较低,主梁的一阶对称侧向弯曲振型仅 0332 Hz,为典型的风敏感柔性结构,需对其脉动 为研究对象,对其脉动风荷载作用下的抖振动力 响应极值进行了计算分析.得到r一些有意义的 结论,可供类似_ll 程参考~ 风荷载作用下的抖振响应进行计算分析,以确保 构的设计安伞 表1 三跨悬索桥有限元模型主梁基本参数 l大跨度悬索桥动力特性分析 本文算例中的桥梁为舣塔一跨悬索桥,跨 {,f=组合160+500+160=g20m,丰跨垂夸比为 试睑(PRESTRES¥.TECHNOLOGY 研宄卜 , I 《预左 技末》2016年第6期总第119期 ——— [印  I Ir l 。./— 一式中, ,( 为竖向脉动风谱,其它符号的含义 与式(1)中的规定相同。  I 一阶对称竖弯O.355Hz 衄阶反对称竖弯0.418Hz  一本文算例中的三跨悬索桥跨度较大,作用在 不同位置处的脉动风既非相互独立,也不是全相 一阶对称侧弯0.332Hz 一阶反对称侧弯1.036Hz 唧 碉跚蕊 Ⅱ 一关,通常情况下为部分相关。在工程实践中,脉 一阶对称扭转1.035Hz 阶反对称扣转1.817Hz 动风的空间相关陛通常采用指数形式表达,本文 图3三跨悬索桥主梁一阶振型 计算中采用《公路桥梁抗风设计规范》给出的建 议形式: 2nI I 2脉动风荷载作用下结构动力响应分析 脉动风是一种随机性很强的动力荷载,通常 情况下被描述为零均值的平稳高斯过程,其作用 下的结构计算涉及结构动力学和随机振动理论, 是一件非常复杂的工作 J。脉动风引起的结构动 力响应通常采用其动力响应极值表示,计算的主 要参数有结构的力学特l生和风荷载参数。结构的 力学特性包括动力特性和静力特l生,其中动力特 一s(xf,Xj, )=‘5r(,z)e ̄-Ix,xjj (3) 其中,7≤九≤21,为风场相关系数,本文计算中 取中间值九=14;x 和 为主梁沿跨度方向的坐 标,其它参数的含义与上述定义相同。 (2)其它计算参数的确定 除了脉动风谱外,抖振计算中还涉及到其它 些参数,下面将对其进行简要介绍。本文计算 中风攻角仅以0。为例给出抖振响应极值,其它 角度的计算方法与之相同。此时主梁的升力系 数、阻力系数和升力矩系数分别为C,=一0.0132, co=0.148,C 一0.00432,上述系数在0。风 性已在第1节中做了介绍,静力特性是结构工程 师非常熟悉的内容,此处不再给出。下面将对与 脉动风荷有关的参数进行介绍,并在上述参数的 基础上计算三跨悬索桥的风致抖振响应极值。 (1)脉动风谱的选择 脉动风谱是结构抖振计算中的一个重要参 数,本文悬索桥抖振计算中同时考虑水平和竖向 攻角时的变化率分别为dCc/da=3.929,dCD/da= 1.244和dCM/da=1.196。本文算例中的悬索桥处 于A类场地,主梁离水面的高度z=45m,地面粗 糙长度为z =0.01m,风剖面指数取a=0.12,主梁 的脉动风作用,其功率谱密度函数采用《公路桥 梁抗风设计规范》 J中建议的形式。 水平脉动风谱的表达式为: nSu(n)—高度处的计算风速为U4 =50m/s,空气密度取 p=1.225kg/m3。为考虑脉动风的非定常性,引入 气动导纳函数对脉动风谱进行修正,此处气动导 纳采用Sears函数的Liepmann简化表达式 …; 结构各阶模态的阻尼比按照《公路桥梁抗风设 『_: : (1+5Of) (1) 式中, (,z)为水平向脉动风谱;,z为脉动风的频 率(Hz);厂= ,为相似律坐标,又称为 计规范》取0.005。抖振响应的积分频率范围 为0.002Hz~2.0Hz,频率间隔为0.002Hz。 (3)三跨悬索桥抖振位移响应RMS值 作用在悬索桥上的气动力主要包括抖振力和 自激力。其中抖振力采用Davenport的抖振力计算 模型【4J,根据Davenport理论可以表达为: 莫宁坐标;z为主梁离地面或水面的高度; z)为 高度 处的平均风速;u水:—KU( z)_,ln( ) 为气流摩阻 速度,也可以称之为剪切速度,与地面粗糙长度 相关; 一0.4,为Karman常数;Z0为地面粗糙长 度。 竖向脉动风谱可以表达为: nSw( ) 6f 丁 (+4 )1  (2()2) Zb 1 l 2 +( +CD) w I 1 l 2 u+ W i (4) Mb 1 l 2 + 号l 试验研宄 《{5f左 技末》2016年第6期总第119期 式中,Lb、 和 6分别表不单位长度的抖振升 前面所述。 力、抖振阻力和抖振升力矩; XD 和 分 为了更加准确的计算悬索桥的抖振响应,抖 振分析中有必要同时考虑作用在主梁上的自激力 作用。 ̄Scanlan理论 ,悬索桥主梁竖向、水 别表示主梁升力、阻力和扭矩的气动导纳函 数,本文取为sears函数的简化表达式; 和W 分别代表水平和竖向的脉动风速;其它参数如 = 平和扭转方向的自激力可分别表达为: + 1 。(2 1 (2 + : + H3 + + +K ) (5) = 1 (2 )( h+ + + 去) 泐折 式中,L D 和』l 分别表示主梁单位长度的 自激升力、自激阻力自激升力矩; 算频率; 为结构振动圆频率;h,P, 分别为 主梁的竖向、水平和扭转位移; ,、P 、A i为 颤振导数,与桥梁断面的几何构形和来流有关。 本文根据强迫振动原理采用Fluent软件【llJu 计算 悬索桥主梁断面的颤振导数 、 和三分力系 数,分别如图4和图5所示, 采用准定场理论推 理得到;其它参数的意义如前所述。 【攻角(Unit:deg) 图5悬索桥主梁断面静力三分力系数 同时考虑抖振力和自激力,当采用上述计算 参数,采用耦合抖振计算方法 考虑悬索桥的前 60阶振型,计算得主梁竖向、水平和扭转方向的 - 抖振位移响应RMS值如图6所示。 曲 悬索桥主梁坐标(单位:rf1) (a)竖向位移响应RMS值 * Ⅲ 蜷 图4悬索桥主梁断面0。风攻角时的颤振 悬索桥主梁轴向坐标(单位:rf1) (b)水平位移响应RMs值 导数 f和 f(i=1,2,3,4) 《{9f左 技末》2o16年第6期总第119期 言 ●● 雹 趔 肇 兽 宦 ・悬索桥主梁轴向坐标(单位:m) 悬索桥主梁坐标(单位:m) (a)竖向位移响应极值 (c)扭转位移响应RMS值 图6三跨悬索桥主梁抖振位移响应RMS值 (4)三跨悬索桥抖振位移响应极值 根据Davenpo ̄的研究,脉动风荷载下的结构 动力响应极值可以表达为如下简化形式㈣: Y=Y+gO-y (6) 式中, 为风荷载作用下的结构动力响应极值, 为平均风荷载引起的平均响应,a 为脉动风荷 载引起的结构动力响应RMS值,譬为峰值因子, * — 斟一 鼙 譬龄 O O O O O O O 0 一 悬索桥主梁轴向坐标(单位:In) (b)水平位移响应极值 ~ 斟一 晕 菩辩辑 0 0 0 0 0 0 0 0 通常情况下可以取为3.5。 作用在大跨度悬索桥主梁上的平均风荷载可 采用静力三分力系数表达为: EL= =÷p CDB (7) 是莉主 廷轴向坐标(单位:ITI) (e)扭转位移响应极值 FM= pU CMB 图8三跨悬索桥主梁抖振位移响应极值(0。风攻角) 式中, 、 和 ,分别为作用在悬索桥主梁单位 长度的水平升力、阻力和扭矩,其方向如图7所 载作用下悬索桥主梁在竖向、水平和扭转方向的 最大抖振位移响应极值分别为0.233m、0.3 10m和 0.339。。无论对于竖向、水平和扭转方向,悬索 示;cL、C『D和C 分别为主梁的升力系数、阻力 系数和扭矩系数;B为主梁的参考计算宽度。 U 《t1 桥主梁的最大位移响应极值均发生在主跨跨中位 置处,由于两边跨的跨度较小、刚度相对较大, 所以引起的边跨抖振位移响应相对较小。0。风 攻角下的计算结果表明,大跨度柔性悬索桥刚度 较小,其结构设计中必须考虑脉动风引起的抖振 ffl 图7悬索桥主梁平均风荷载方向示意 根据公式(6),同时考虑平均风荷载和脉 响应才能保证结构的设计安全。本文仅以0。风 攻角为例对长跨柔性悬索桥的风致抖振响应极值 动风荷载作用,可得三跨悬索桥主梁的位移响应 极值如图8所示。 进行了分析计算,如果计算中需要其它角度的抖振 响应极值,可以采用与本文相同的处理方式获得。 参考文献 [1】 中华人民共和国交通部.公路桥梁抗风设计规范(JTG/T D60-01-2004)【s].北京:人民交通出版社,2004. Ministry ofCommunications ofthe People’s Republic ofChina. 3结论 通过上述计算分析可以发现,本文算例中的 大跨度悬索桥柔性较大,一阶对称侧弯振型仅 0.332Hz,为典型的风敏感结构。当同时考虑作 用在主梁上的抖振力和自激力时,可得脉动风荷 Wind—resistent design speciifcation for highway bridges(JTGFF D60-01-2004)[S】.Beijing:China Commnnations Press,2004. [2] 项海帆等.公路桥梁抗风设计指南[s].北京:人民交通 bridges based on the modal coupling and uncertainty parameters 【D】.Doctoral dissertation ofT0ngji University,Shanghai:Tongji University,2000. 出版社,1996. Xiang haifan et 1.Wiand—resistent design speciifcation ofhighway 丁泉顺.大跨度桥梁耦合颤抖振响应的精细化分析[D]. 同济大学博士学位论文,上海:同济大学。2001. Ding quanshun.Refinement of coupled flutter and buffeting bridges[S].Beijing:China Communations Press,1996. [3】 Davenport A G.The application of statistical concepts to the wind loading of structures[C].Proc.Inst.Civil Eng.1961,19: 449-471. analysis forlong-span bridges[D].Doctoral dissertation ofTongji University,Shanghai:Ton6i University,2001. Liepmann H.W.On the application of statistical concepts to the miu,R.H.Scanlan.Wind Effects on Stuctrures f Third [4] E.SiEdition)【M].John Wiley&Sons,Inc.1996. n.N.P.Jones.R.H.Seanlan.Coupled aeroelastic and 【5] A.Jaiaerodynamic response analysis of long-span Bridges忉.Journal buffeting problem.Journal ofAeronautical science,1952,19(12): 793—8oo. of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics,1996(60): 69—80. 周俊杰,徐国权,张华俊.FluentSE程技术与实例分析 [M].北京:中国水利水电出版社,2010. Zhou junjie,Xu gnoquan,Zhang hu ̄un.Technical analysis of P.Jones.R.H.Scanlan.Coupled Flutter and Buffeting [6】 A.Jain.N.Fluent software in engineering ifeld and case study[M].Beijing: China Water&Power Press.2010. Analysis of Long-span Bridges[J1.Journal of Structural Engineering,1996『61:716-725. N.P.Jones.R.H.Scanlan.Theory and Full—bridge Modeling of 温正,石良臣,任毅.Fluent流体计算应用教程【M】.北 京:清华大学出版社,2009. Wen zheng,Shi liangchen,Ren yi.Fluid computing application Wind Response ofCable—supported Bridges[J].Journal ofBridge Engineering.2001(6).6:365—375. [8] 陈廷人.考虑参数不确定性及多模态气动耦合的桥梁风致 tutorila of Fluent software[M].Beijing:Tsinghua University Press, 2()()9. 振动控制系统的研究[D].博士学位论文,上海:同济大 学,2000. 】 [13]Davenport,A.G.Gust loading factors[J].Journal of Structural O 1 n 2 Division,ASCE93(ST3),1967:1 1-34. Chen suren.Study on wind—induced vibration control system of (上接第21页) 抗剪加强钢筋 骨架位置 J r 1..一 g 母 曲 务 /. , I (a)梁端立面 A一-A (b)抗剪加强钢筋骨架立面 图9变高度T梁的端部加强构造(尺寸:am) 参考文献 【1] [2] Benaim R.The desin gofprestessed rconcrete Bridges—concepts (5):498—501.) Zhao Zhu,Jling Xia0d0n,Huo Da.Single slb aload a—nalysis of prestressed concrete hoHow slab based on destructive and principles『M1.Taylor and Francis,2008. Cohn M.and Lounis Z.Optimal desin of gstructural concrete bridge systems[J].Journal ofStuctrurl aEn—gineering,1994, 120(9):2653—2674. [3】 test[J].Journal of Beijing University of technology,2007,33 (5):498-501.(in Chinese) Scollm’d C R.Bartlett F M.Rehabilitation criteria for post— 张彬,朱栋,徐建炜,等.浙江省中小跨径混凝土桥梁整 体状况与典型病害研究【J].重庆交通大学学报(自然科学 版)2013,32(S1):742—745. Zhang Bin,Zun Don,Xu Jianwei,et a1 Overall situa—tion and typical diseases of medium and small span concrete bridges tensioned voided-slab brldges[J].Canadian Journal of Civil Engineering。2004,31(6):977—987. [8] 黄民水,朱宏平.空心板梁桥“单板受力”病害机理及其 加固处治研究[J].华中科技大学学报(自科学版),2008, 36(21:118—121. Huang Minshu,Zhu Hongping.Study on mechanism and reinforcement processing of“Single slab beating’’disease of in zhejiang province[J].Journal of Chongqing Jiaoyong Universiyt (NaturalScience),2013,32(¥11:742—745.(inChinese) thJW.Structuraltestsofprecast,prestressed 【4] DoweHRK,Smiconcrete deck panels for ca]ifornia freeway bridges[J].PCI Journa1.2006。51(2):76-87. hollow core slab beam bridgeD].Journal ofHuazbong University of Science&Technology(Natu-ral Science Edition).2008.36 f21:118—121.(in Chi—nese) [5] 王亚军,于坤,蔡仕强.公路预应力空心板梁桥单梁试验 及评定[J】.桥梁建设,2011,(5):36—39 Wang Yajun.Yu Kun,Cai Shiqian.Testing and eva]u—ation ofsingle beam ofhighway prestressed concrete hollow slb beaam [9] 中交公路规划设计JTG D62—2004,公路钢筋混凝土及预 应力混凝土桥涵设计规范[s】.北京:人民交通出版社, 20o4. bridge[J].Bridge Construction,2011,(5):36-39.(in Chinese) [6] 赵卓,蒋晓东,霍达.基于破坏荷载试验的预应力混凝土 CCCC Hiighway Cansult Co.,Ltd.JTG D62--2004 Code for desin gof highway reiforced nconcrete and prestressed concrete 空心板单板受力分析『J].北京工业大学学报,2007,33 bridges and culverts[S].Beijing:Commuieations Press,2004 (in Chinese) .

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容