斜拉橋風致抖振時域分析
2018-05-07
1.引言
我國的中西部山區(qū)面積廣大，地形復雜，具有山高谷深，風環(huán)境復雜等特點，這就需要建設大跨徑橋梁以跨越山谷、河流等。其中斜拉橋是跨越能力比較強的柔性橋型之一。舊塔科馬橋的風毀事故引起人們對橋梁風致振動的關(guān)注，其中風對斜拉橋等大跨度橋梁的影響不容忽視。頻域分析、全橋模型風洞試驗方法和時域分析方法是現(xiàn)在分析橋梁抖振的主要方法，其中橋梁有限元模型時域分析是比較常用的方法。
2.時域方法的主要步驟
橋梁結(jié)構(gòu)抖振時域分析主要包括三個方面：一是空間脈動風場的有效模擬；二是時域風荷載模型的處理；三是非線性時程分析。
2.1.脈動風的模擬
1）主梁模型的選擇。在大跨徑橋梁全橋的結(jié)構(gòu)分析中，常采用平面和空間桿系結(jié)構(gòu)，塔和墩簡化為通過其中心線的兩節(jié)點兩單元，而斜拉索等桿系簡化為兩節(jié)點桿單元。在三維空間分析中，由于主梁作為橫向尺寸較大的實體結(jié)構(gòu)，其縱向還有斜拉索、縱梁等不同構(gòu)件連接。都使得不能只用一個空間梁單元進行描述。大跨徑橋梁主梁主要有三種不同的計算模型：三梁式、雙梁式以及魚骨式。
2）風場模擬方法的選擇。抖振響應時域分析，首先依據(jù)目標功率譜函數(shù)數(shù)值模擬空間脈動風場。對于平穩(wěn)隨機過程，比較常用的方法有諧波合成法與線性濾波法。諧波合成法計算量較大，但是精度較高，一般常采用這種方法。
2.2.抖振風荷載
2.3.非線性時程分析
結(jié)構(gòu)幾何非線性處理方法?，F(xiàn)代大跨徑橋梁的柔性特征十分明顯，特別是懸索橋和斜拉橋，對其進行動力分析時必須要考慮幾何非線性，才能得到精確的計算結(jié)果。隨著計算機性能的提高，也使得我們可以研究復雜結(jié)構(gòu)的非線性問題。大跨徑橋梁結(jié)構(gòu)受到幾何非線性的影響，其整體剛度在抖振有限元分析中是變化的。因而不可直接使用線性不變時的NewMark-β顯式積分，這種方法的求解結(jié)果是不穩(wěn)定的。可以采用結(jié)合Newton-Raphson和NewMark-β迭代法來求解。
3.工程實例
3.1工程概況
該橋位于湖北省境內(nèi)，是一座主跨為320m的預應力混凝土雙塔雙索面斜拉橋，主梁寬27.3m、高3.0m。混凝土寶石型塔高約120m，塔墩高約72m，橋塔總高約192m。主梁采用現(xiàn)場懸澆施工方案。
3.2模型處理
主梁模型采用魚骨式，脈動風的模擬采用改進的諧波合成法以Simiu譜和Panofshy譜為橫向和豎向脈動風場的目標譜。通過有限元軟件建立模型如圖3.1。風場模擬參數(shù)如表3.1。主梁處脈動風時程曲線如圖3.2和圖3.3所示。
3.3成橋階段抖振力計算
大橋成橋節(jié)段在0攻角的橫向和豎向脈動風作用下的抖振響應進行了分析。在計算分析中，有關(guān)參數(shù)取值如下：來流的自然攻角為0；紊流的功率譜密度函數(shù)中反映空間相關(guān)性的縱向和豎向脈動風速指數(shù)衰減系數(shù)Cz 、Cy和Cw分別為16、10、6；地面粗糙長度按D類地區(qū)取為1.0m；橋梁結(jié)構(gòu)的質(zhì)量阻尼系數(shù)和剛度阻尼系數(shù)分別為0.056和0.0011；拉索和橋塔構(gòu)件的氣動導納取1.0；主梁氣動導納取1.0的Liepmann簡化公式計算；成橋狀態(tài)抖振計算風速取設計基準風速24.8m/s。經(jīng)計算發(fā)現(xiàn)時間步在500步以后響應統(tǒng)計量的變化就不是很明顯了，所以綜合考慮確定計算荷載步取為1000步。計算結(jié)果如圖3.4到3.7所示。
4.結(jié)論
1）由圖3.4圖3.5和圖3.6可以得到成橋狀態(tài)時在設計風速下主梁振幅數(shù)值較小，滿足規(guī)范要求。主梁豎向振動具有簡諧振動的特性，線形圓滑，振幅大于橫向，是橋梁的主要振動方向。
2）圖3.7主梁豎向移的均方根曲線圓滑，線性流暢，表明計算結(jié)果數(shù)值模擬較準確，符合實際橋梁振動變化。
綜上可得出該橋成橋階段在設計風速的脈動風作用下，橋梁發(fā)生抖振振幅較小，滿足規(guī)范要求。
參考文獻：
[1]李國豪.橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定與振動[M]. 北京：人民交通出版社，2005
[2]JTG/TD 6001―2004，《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[S]..北京：人民交通出版社，2004
