大門大橋抗風(fēng)分析報告

1、目 錄概述 1采用的規(guī)范及參考依據(jù)2設(shè)計基本風(fēng)速、設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速、主梁顫振檢驗風(fēng)速的確定 21 設(shè)計基本風(fēng)速 22 主梁顫振檢驗風(fēng)速3結(jié)構(gòu)動力特性分析 31 計算圖式 32 邊界條件 33 動力特性分析4主梁抗風(fēng)穩(wěn)定性分析 41 橋梁顫振穩(wěn)定性指數(shù) 42 主梁顫振臨界風(fēng)速的估算 43 結(jié)論概述：大門大橋推薦方案采用雙塔雙索面混凝土斜拉橋，跨度布置為135+316+ 135=586m，主跨主梁為形斷面，主塔為倒Y形索塔。在進(jìn)行初步設(shè)計的過程中需要對主橋推薦方案的抗風(fēng)、抗震性能進(jìn)行分析。本報告對推薦方案的抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。分析的必要性大橋在施工和運(yùn)營期間，需滿足12級以上臺風(fēng)、風(fēng)速分別為33.3m

2、/s和35.9m/s下的穩(wěn)定性要求。由于缺乏橋區(qū)處風(fēng)速觀測資料，報告中設(shè)計風(fēng)速采用的是公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范附表A中溫州市的10m高設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速。由于橋址處無論是10m平均最大風(fēng)速，還是瞬時最大風(fēng)速均較大，而主橋推薦方案有“塔高、跨大”的特點(diǎn)，因此，主橋方案斜拉橋結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性檢算是必需的。結(jié)論利用ANSYS軟件對推薦方案的相關(guān)環(huán)節(jié)進(jìn)行相應(yīng)分析，得出如下結(jié)論：結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性等級為級，成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的主梁的顫振臨界風(fēng)速大于主梁的顫振檢驗風(fēng)速，滿足抗風(fēng)穩(wěn)定性要求。1采用規(guī)范及參考依據(jù)1.1 中華人民共和國交通部部標(biāo)準(zhǔn)公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范（JTG D60-2004）1.2 中華人民共和國推薦性

3、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范（JTG/T D60-01-2004）1.3 中華人民共和國交通部部標(biāo)準(zhǔn)公路斜拉橋設(shè)計規(guī)范（試行）（JTJ027-96）2設(shè)計基本風(fēng)速、設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速和主梁顫振檢驗風(fēng)速的確定根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范（JTG/T D60-01-2004），查得溫州地區(qū)距地面以上10米，頻率為1/100平均最大風(fēng)速V 10=33.8m/s。據(jù)溫州市大門大橋工程可行性研究報告中4.3.7條橋梁抗風(fēng)、抗震規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)，大橋在施工和運(yùn)營期間，需滿足12級以上臺風(fēng)、風(fēng)速分別為33.3m/s和35.9m/s下的穩(wěn)定性要求。本報告中場地平均最大風(fēng)速按后者取值。橋址地表類別按A類考慮，橋面離水面高度為38

4、.5m，根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范，計算得K1=1.38，由此，求得本橋運(yùn)營階段的設(shè)計基本風(fēng)速Vd=K1V10=49.542m/s。對于施工階段，設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速VDS=45.954m/s。根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范第6.3.8條，主梁成橋狀態(tài)顫振檢驗風(fēng)速Vcr=1.2F Vd=1.21.306849.542=77.69m/s。主梁施工階段顫振檢驗風(fēng)速Vscr= 1.2f VDS=1.21.306839.181=72.05m/s。3結(jié)構(gòu)動力特性分析31 計算圖式本方案的抗風(fēng)穩(wěn)定性分析中，梁、塔、墩采用梁單元建模，索采用單向受拉桿單元建模?？紤]到主梁為帶實(shí)心邊梁板式開口斷面，其自由扭轉(zhuǎn)剛度較小，若按照單

5、脊梁（魚骨式）模型，因為常規(guī)梁單元的限制，其不能考慮主梁約束扭轉(zhuǎn)剛度的影響，因此在建模分析中常考慮作三主梁模型處理。而在ANSYS程序中提供考慮截面翹曲剛度的梁單元，通過建立單脊梁（魚骨式）模型，能夠準(zhǔn)確計算結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)頻率，從而有效模擬斜拉橋開口截面主梁。報告采用單脊梁模型，梁單元選用計入截面翹曲剛度的BEAM188單元。為比較動力特性分析結(jié)果，另采用梁格法建模分析，進(jìn)行驗證。見圖1。根據(jù)結(jié)構(gòu)所處狀態(tài)，建模包括4方面內(nèi)容：本橋式方案成橋狀態(tài)和施工獨(dú)塔階段、最大雙伸臂階段、最大單伸臂階段。各計算圖式如圖1、2。 圖1 成橋狀態(tài)計算圖式（單脊梁和梁格模型）圖2 最大雙伸臂和獨(dú)塔階段計算圖式圖3 最

6、大單伸臂階段計算圖式32 邊界條件本橋式方案的成橋狀態(tài)和施工最大雙、單伸臂階段的邊界條件見表3， 表3成橋狀態(tài)和施工最大單伸臂階段結(jié)構(gòu)各部位邊界條件結(jié)構(gòu)部位成橋狀態(tài)施工最大單伸臂階段xyzxyzxyzxyz主塔在承臺頂處111111111111塔梁交接處110001111111邊墩在承臺頂處111111111111邊墩與梁交接處110001110001注：1 表3中，x、y、z分別表示沿橫橋向、豎橋向、縱橋向的線位移，x、y、z分別表示繞橫橋向、豎橋向、縱橋向的轉(zhuǎn)角位移，1約束，0放松。2 施工最大雙懸臂階段主塔在承臺頂處、塔梁交接處邊界條件與施工最大單懸臂階段相同。33 結(jié)構(gòu)動力特性分析3.

7、3.1 成橋狀態(tài)表4和表5分別給出單脊梁和梁格法建模成橋狀態(tài)的振型特點(diǎn)，單脊梁模型其相應(yīng)的振型圖見圖5。從表4和表5可以看出，采用188單元的單脊梁和梁格法建模分析結(jié)果很接近，同時其扭轉(zhuǎn)頻率值相差不到3%。單脊梁模型分析結(jié)果滿足要求。從振型圖來看，因為塔、梁分離，節(jié)點(diǎn)無順橋向約束，主梁順橋向剛度比較弱，一階振型為縱飄振型，頻率值較低。同時，主塔和斜拉索對主梁的扭轉(zhuǎn)制約作用比較明顯，主梁抗扭剛度較高，振型靠后，出現(xiàn)在第十階，對結(jié)構(gòu)抗風(fēng)有利。塔高自承臺以上達(dá)148.3m，斜拉橋主跨為316m，但由于采用倒Y形，因而主塔的縱彎振型靠前，出現(xiàn)在第一階。盡管主塔較高，塔梁分離，板式主梁的抗扭剛度較小，但

8、由于塔身形狀以及雙索面的布設(shè)，主梁仍具有較高的扭轉(zhuǎn)自振頻率和扭彎頻率比，為主梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性提供了可靠的保證。表4 成橋狀態(tài)動力特性表（單脊梁模型） No振型主要特性自振頻率（Hz）自振周期（S）1主梁縱飄0.08903511.231542主梁豎彎0.288583.4652443主梁豎彎0.394562.5344694邊墩側(cè)彎+主梁側(cè)彎0.499732.0010815邊墩側(cè)彎+主梁側(cè)彎0.623261.6044676主梁豎彎0.668861.4950817主塔側(cè)彎0.679681.4712818主梁豎彎0.750351.3327119主梁豎彎0.842971.18628210主梁扭轉(zhuǎn)0.8578

9、61.165691扭彎頻率比 = f10/ f2=2.973表5 成橋狀態(tài)動力特性表（梁格模型）No振型主要特性自振頻率（Hz）自振周期（S）1主梁縱飄0.09402610.635362主梁豎彎0.252883.9544453主梁豎彎0.361282.7679364邊墩側(cè)彎+主梁側(cè)彎0.513921.9458285邊墩側(cè)彎+主梁側(cè)彎0.672951.4859956主梁豎彎0.700691.4271657主塔側(cè)彎0.70751.4134288主梁豎彎0.796171.2560139主梁扭轉(zhuǎn)0.839471.19122810主梁豎彎0.878031.138913 第一階模態(tài) 第二階模態(tài) 第三階模態(tài)

10、 第四階模態(tài) 第五階模態(tài) 第六階模態(tài) 第七階模態(tài) 第八階模態(tài) 第九階模態(tài)第十階模態(tài)圖5 成橋狀態(tài)前十階模態(tài)3.3.2 裸塔狀態(tài)獨(dú)塔自立狀態(tài)的振型特點(diǎn)見表6，其相應(yīng)的振型圖見圖6。對結(jié)果分析可知，塔身較高，呈倒Y形，塔身縱彎頻率較低，而側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)頻率較高，說明裸塔自身的抗扭剛度較高。表6 推薦方案獨(dú)塔自立狀態(tài)動力特性表No振型主要特性自振頻率（Hz）自振周期（S）1塔縱彎0.2811 3.5581 2塔側(cè)彎0.8547 1.1700 3塔側(cè)彎1.5532 0.6438 4塔縱彎1.5810 0.6325 5塔扭轉(zhuǎn)2.0218 0.4946 第一階模態(tài) 第二階模態(tài)第三階模態(tài)第四階模態(tài)第五階模態(tài)圖6

11、 裸塔自立狀態(tài)前五階模態(tài)3.3.3 最大雙伸臂狀態(tài) 施工最大雙伸臂階段的振型特點(diǎn)見表7，其相應(yīng)的振型圖見圖7。從振型圖來看，由于邊跨合龍前主塔雙側(cè)最大伸臂長度僅為97.6m，結(jié)構(gòu)的動力特性更依賴于主塔自身特性，最大雙伸臂結(jié)構(gòu)的低階振型出現(xiàn)以主塔為主的振動，主梁扭轉(zhuǎn)頻率較高。主梁豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻較為接近，需要進(jìn)行彎扭耦合顫振檢算。表7 施工最大雙伸臂階段動力特性表No振型主要特性自振頻率（Hz）自振周期（S）1主塔縱彎0.2095 4.7740 2主梁側(cè)彎0.3728 2.6828 3塔梁側(cè)彎0.7899 1.2660 4主梁豎彎0.8809 1.1352 5主塔縱彎+主梁豎彎0.9165 1.0

12、911 6主梁扭轉(zhuǎn)1.1199 0.8929 7主梁扭轉(zhuǎn)1.1352 0.8809 8主塔縱彎+主梁豎彎1.2843 0.7786 9主梁豎彎1.4402 0.6943 10塔梁側(cè)彎1.5525 0.6441 扭彎頻率比 = f6/ f4=1.271第一階模態(tài)第二階模態(tài)第三階模態(tài)第四階模態(tài)第五階模態(tài)第六階模態(tài)圖7 施工最大雙伸臂階段前六階模態(tài)3.3.4 最大單伸臂狀態(tài) 施工最大單伸臂階段的振型特點(diǎn)見表8，其相應(yīng)振型見圖8。從振型圖來看，在最大懸臂狀態(tài)，由于塔梁固結(jié)，低階振型出現(xiàn)塔梁縱彎和塔梁橫彎的振型。而邊墩縱飄振型在第九、十階出現(xiàn)。最大伸臂達(dá)158m，主梁的抗扭剛度相對雙伸臂明顯偏小，扭轉(zhuǎn)振

13、型在第五階出現(xiàn)。表8 施工最大單伸臂階段動力特性表No振型主要特性自振頻率（Hz）自振周期（S）1主梁豎彎+主塔縱彎0.3461 2.8897 2主梁側(cè)彎0.3890 2.5706 3塔梁側(cè)彎0.7433 1.3454 4主梁豎彎+主塔縱彎0.7521 1.3297 5主梁扭轉(zhuǎn)0.8882 1.1259 6主梁豎彎0.9094 1.0997 7主梁豎彎+主塔縱彎1.0002 0.9998 8塔梁側(cè)彎1.1850 0.8439 9邊墩縱飄1.2453 0.8030 10邊墩縱飄1.3205 0.7573 扭彎頻率比 = f5/ f1=2.567第一階模態(tài)第二階模態(tài)第三階模態(tài)第四階模態(tài)第五階模態(tài)4

14、主梁抗風(fēng)穩(wěn)定性分析41 橋梁抗風(fēng)安全等級根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范第6.3.1條，橋梁顫振安全等級按下式計算：=，各工況下的顫振穩(wěn)定性指數(shù)及分級見表9。表9 顫振穩(wěn)定性指數(shù)及分級工況分級抗風(fēng)穩(wěn)定性成橋狀態(tài)2.365安全施工最大雙伸臂階段1.812安全施工最大單伸臂階段2.285安全從表9可以看出，本橋成橋狀態(tài)和施工最大單伸臂階段的主梁顫振穩(wěn)定性指數(shù)If值均小于2.5，抗風(fēng)穩(wěn)定性分級均為級，因此，可以得出本橋的成橋狀態(tài)和施工最大單、雙伸臂階段的抗風(fēng)安全是有充分保證的。42 顫振臨界風(fēng)速的估算對彎扭耦合顫振，其臨界風(fēng)速根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范的兩個公式分別進(jìn)行估算。421 彎扭耦合顫振的Van de

15、r put公式Vcr1=s1+(-0.5)hb 式中：s為主梁斷面形狀影響系數(shù)，取s=0.7；為攻角效應(yīng)系數(shù)，取=1；b為半橋?qū)挘=17.75；r為慣性半徑，計算得2.75；為扭彎頻率比，成橋階段：= f10/ f2=2.973；施工階段：最大雙伸臂= f6/ f4=1.271，最大單伸臂= f5/ f1=2.566。為梁體質(zhì)量與空氣的密度比，=m/(b2)=43.7。m=53008kg/m； =1.225kg/m3；h為基階豎彎自振圓頻率，成橋階段：h1=2f2=1.813；施工階段：最大雙伸臂h2=2f3=5.536，最大單伸臂h3=2f3=2.175。成橋階段：Vcr1=145.5m/sVcr= 77.69m/s。施工階段：最大雙伸臂Vscr1=185.9m/sVscr =72.05m/s。 最大單伸臂Vscr1=150.3m/sVscr =72.05m/s422 分離流扭轉(zhuǎn)顫振的臨界風(fēng)速的Herzog公式Vco=Tho-1Bft式中：Tho-1為西奧多森數(shù)的倒數(shù)，根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范第6.條，Tho-1=2.5 =6.5；B為全橋?qū)挘=35.5米；ft 為主梁扭轉(zhuǎn)基頻。成橋階段：ft=0.8578；施工階段：最大雙伸臂fst=1.1199，最大單伸臂fst=0.8882。計算得：成橋階段