惠州下角東江大橋抗風(fēng)及抗震研究報告(180+101+45獨塔斜拉橋)

1、一、前言惠州市下角東江大橋是惠州市區(qū)二環(huán)路的控制工程。下角東江大橋南、北引橋分別與下角南路、三新南路銜接，其中北引橋上挎沿江三路、文昌二路，在文昌與文化一路之間落地，南引橋再下角南路與下角中路的道口處落地?；葜菔邢陆菛|江大橋為預(yù)應(yīng)力混凝土獨塔斜拉橋，主跨180m，主橋跨徑組合為180+101+45=326米。主梁由標(biāo)準(zhǔn)段混凝土箱形梁和漸變段混凝土箱形梁組成。主塔采用具有獨特抽象鵝形造型的雙柱索塔，預(yù)應(yīng)力混凝土空心結(jié)構(gòu)。為保證設(shè)計方案成橋及施工狀態(tài)的抗風(fēng)安全，對主橋結(jié)構(gòu)開展抗風(fēng)性能研究是完全必要的。本報告主要工作是采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)分析設(shè)計方案成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動力特性、主梁成橋狀態(tài)的靜三分力系數(shù)與氣

2、動導(dǎo)數(shù)、橋塔阻力系數(shù)、成橋狀態(tài)的靜風(fēng)荷載、顫振臨界風(fēng)速等。計算程序采用美國ANSYS公司授權(quán)的ANSYS通用有限元分析軟件及風(fēng)洞實驗室自行開發(fā)的離散渦方法(DVMFLUID)流場計算程序與專用二維顫振分析程序。具體內(nèi)容為：1、橋位處基本風(fēng)速、設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速、顫振檢驗風(fēng)速的確定；2、采用單梁式的計算模型分析斜拉橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性；3、斜拉橋主梁斷面在成橋狀態(tài)氣動參數(shù)計算流體動力學(xué)方法(CFD)計算；4、采用二種方法估算結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速。(1) 采用CFD方法計算的顫振導(dǎo)數(shù)，由經(jīng)典顫振理論確定0度攻角下顫振臨界風(fēng)速1；(2) 按平板近似公式估算，根據(jù)主梁截面的形狀按公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范

3、規(guī)定選取形狀系數(shù)和攻角效應(yīng)系數(shù)。5、主橋結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的橫橋向風(fēng)荷載和縱橋向風(fēng)荷載的計算。二、基本風(fēng)速、設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振檢驗風(fēng)速的確定當(dāng)橋梁所在地區(qū)缺乏風(fēng)速觀測資料時，可以利用公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范(JTG/TD60-01-2004)1中的全國百年一遇基本風(fēng)速分布圖，惠州所在地區(qū)的基本風(fēng)速約為U=38.0m/s。10對于惠州橋而言，橋位附近地表屬于II類場地，考慮最不利水位，橋面離水面約10m,因此橋面高度處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速U二38.0m/s。d計算陣風(fēng)風(fēng)荷載時應(yīng)采用時距較小的陣風(fēng)風(fēng)速，陣風(fēng)風(fēng)速選取為U二GU，對于II類地表G取1.38，則陣風(fēng)風(fēng)速為52.4m/s。gVdV對于顫振檢驗風(fēng)速的選取為

4、：ULKrUcrfd式中，r為考慮風(fēng)速的脈動影響及水平相關(guān)特性的無量綱修正系數(shù)，參考文獻2可以取1.32，K為考慮風(fēng)洞試驗誤差及設(shè)計施工中不確定因素的綜合安全系數(shù)，取為1.2。則UL1.2x1.32x38.0=60m/scr三、結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)構(gòu)動力特性分析采用美國Ansys空間有限元動力分析程序。主梁采用“單脊梁式”建立計算模型進行動力特性計算。成橋狀態(tài)的跨徑布置為180+101+45=326米，斜拉索數(shù)量為27X2對。根據(jù)設(shè)計院提供的資料，結(jié)構(gòu)的約束條件為：橋塔和主梁固結(jié)，其余橋墩和主梁約束豎向、側(cè)向以及繞橋軸扭轉(zhuǎn)等約束。另外橋塔在承臺以上固結(jié)。主橋主梁和橋塔截面特性見表1和表2。主橋立

5、面布置圖、橋梁布置圖以及主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面和邊跨壓重斷面布置圖見圖14。表1主梁截面特性表斷面位置Area(m2)Iyy(m4)Izz(m4)Jd(m4)大邊跨端截面24.196712.76353372.775013.95510號塊截面34.109116.36964553.905023.0681漸變段起始截面22.195712.38073095.21708.9564漸變段終端截面26.563120.32163369.39109.1605小邊跨端截面28.963123.66993382.191081.5759表2橋塔截面特性表斷面位置Area(m2)Iyy(m4)Izz(m4)Jd(m4)1（外柱）2

6、2.000055.916728.078367.15161（內(nèi)柱）26.000092.083333.412487.79752（外柱）11.817345.374819.251147.35222（內(nèi)柱）18.404084.959730.374478.47773（外柱）19.673055.426918.101649.35143（內(nèi)柱）26.000092.083333.412487.79504（外柱）19.800161.212742.253776.89254（內(nèi)柱）18.404084.959730.374478.47185（外柱）18.259758.364112.774938.12425（內(nèi)柱）25.0

7、80092.037532.979884.89436（外柱）10.949148.46309.093027.41696（內(nèi)柱）18.404084.959730.374478.48157（外柱）9.608331.60971.87636.33757（內(nèi)柱）18.979491.229731.641380.3353823.2725102.202351.6472119.8776919.769085.215638.130385.1501表3、表4分別列出了成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)動力特性計算出的前15階振型及其相應(yīng)的頻率和對應(yīng)的廣義質(zhì)量。圖4和圖5分別為動力特性分析結(jié)構(gòu)力學(xué)模型以及前15階動力特性振型圖。綜合以上動力特性

8、計算分析可以看出：成橋狀態(tài)時結(jié)構(gòu)的豎彎基頻為0.4041Hz，扭轉(zhuǎn)基頻為0.5806Hz，扭彎頻率比為1.4368，豎彎的等效質(zhì)量為109.65t/m，扭轉(zhuǎn)等效質(zhì)量為14220t.m2/m。-52-圖置布面立橋主1圖圖面斷段梁箱梁主窗耳L$*1圖面斷段梁變漸梁主歯ill二CT£T£ci-lrbrci.rKE,/nr二馴r口門ffi鳥自Umnjq口曲一cnJ.lfflMziruTi3333Till；!'t:Li29CC0.*-二-J-J-I'L9DDOH.圖4橋塔結(jié)構(gòu)布置圖表3成橋狀態(tài)動力特性表階數(shù)頻率(Hz)振型特點10.3704橋塔雙塔柱橫橋向反向振動20

9、.3708橋塔雙塔柱橫橋向同向振動30.4041主梁豎彎振動40.5806主梁扭轉(zhuǎn)振動50.7386主梁豎彎振動60.8539主梁豎彎振動70.9397主梁扭轉(zhuǎn)振動80.9956主梁豎彎振動+橋塔縱向振動91.0547主梁扭轉(zhuǎn)振動101.2466大邊跨主梁豎彎振動111.3547主梁扭轉(zhuǎn)振動121.4726主梁扭轉(zhuǎn)振動131.5961主梁扭轉(zhuǎn)振動141.6544主梁扭轉(zhuǎn)振動151.7278主梁邊跨豎彎振動表4成橋狀態(tài)主梁等效質(zhì)量表階數(shù)MX（T/M）MY（T/M）MZ（T/M）JX（T*M"2/M）18.5148E+062.0667E+047.0738E+194.2199E+2227.

10、2144E+202.0194E+181.7216E+077.4459E+0733.4370E+041.0965E+022.6931E+173.0509E+2043.2683E+202.4889E+176.7740E+061.4200E+0452.1524E+031.1601E+026.3290E+177.9175E+2061.6522E+031.2159E+027.8583E+161.5475E+2076.5512E+175.4346E+173.3060E+061.4520E+0482.6719E+023.0026E+021.9151E+162.4919E+1992.3972E+181.353

11、4E+181.7528E+051.2583E+04102.1821E+031.0657E+024.8618E+193.6292E+23115.7576E+184.9220E+172.0090E+051.3142E+04121.7302E+191.3146E+181.0048E+061.8451E+04133.2089E+182.2565E+173.3494E+051.4166E+04141.2642E+197.6307E+176.9673E+041.2597E+04154.3125E+031.2520E+021.2718E+145.4861E+17圖5惠州下東江大橋動力特性分析力學(xué)模型FEMM

12、odelofAnalyzedStructure圖6惠州下東江大橋動力特性分析前15階振型圖ModeNo.3Freq=04040HzFreq=05805HzModeNo.4ModeNo.10Freq=1.2466HzModeNo.11Freq=13547HzModeNo.12Freq=1.4726HzModeNo.13Freq=15960HzModeNo.14Freq=1.6544HzModeNo.15Freq=1.7278Hz四、靜力氣動力數(shù)值計算對于大橋主梁斷面，采用了離散渦數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)（RandomVortexMethod,RVM）進行計算。主梁截面氣動力系數(shù)定義如下：阻力系數(shù)：C二F/q

13、HHDW升力系數(shù)：C二F/qBLLW升力矩系數(shù)：C=F/qB2MMW式中，q=（1/2）pV2為來流動壓；p和V分別為空氣密度和來流速度；F，WWWDF，F(xiàn)分別為每延米阻力，升力，升力矩；B為主梁寬度；H為主梁高度。LM圖7分別為標(biāo)準(zhǔn)斷面流場顯示圖。圖8和圖9為三分力系數(shù)隨攻角變化圖。表5也列出了三分力隨攻角變化關(guān)系。圖7主梁斷面成橋狀態(tài)00攻角流場（Re=105）（標(biāo)準(zhǔn)斷面）一匚00000C_J2c_j-wbljapo<dyAttackanglM"ftojeot1）圖8主梁斷面成橋狀態(tài)三分力系數(shù)隨攻角的變化（體軸,Re=105）（標(biāo)準(zhǔn)斷面）一匚O一匸000-ErouAPO&l

14、t;Attackangle（Project2）圖9主梁斷面成橋狀態(tài)三分力系數(shù)隨攻角的變化（體軸,Re=105）（邊跨壓重部分）表5主梁斷面三分力系數(shù)（體軸）（標(biāo)準(zhǔn)斷面）攻角（度）阻力系數(shù)升力系數(shù)升力矩系數(shù)-31.060-0.400-0.01301.140-0.1000.02031.1800.1800.045五、顫振穩(wěn)定性估算對于在未進行風(fēng)洞試驗之前，斜拉橋的顫振臨界風(fēng)速可以通過平板的理論風(fēng)速加以折減獲得。根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，橋梁斷面的顫振臨界風(fēng)速為：U二耳耳Vcrsaco式中耳和耳分別表示考慮截面形狀和攻角效應(yīng)的折減系數(shù)，V表示理論saco平板的顫振風(fēng)速為：V=T-1fBcohot

15、式中T-i=2.5*-1，卩為橋梁和空氣的密度比卩二，b為半橋?qū)?，phoIb丿兀pb2為空氣密度。對于該橋下相應(yīng)平板風(fēng)速估算得到V二317.84m/s，考慮形狀修正系數(shù)0.4co和攻角修正系數(shù)0.8，則該橋的顫振臨界風(fēng)速為U二101.71m/s，大于顫振檢驗cr風(fēng)速60m/s的要求，因此該橋能夠滿足顫振穩(wěn)定性檢驗要求。六、風(fēng)荷載計算在初步設(shè)計階段，風(fēng)荷載的計算可以直接利用陣風(fēng)荷載進行，在計算過程中將設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速乘以陣風(fēng)系數(shù)進行計算。陣風(fēng)系數(shù)的選取根據(jù)規(guī)范相應(yīng)于一類地表為1.38。另外，風(fēng)荷載的計算還考慮到順橋向和橫橋向兩種不同的工況。通過計算可以得到關(guān)鍵斷面內(nèi)力見表6和表8，及主要斷面位移見表

16、7和表9，其中，關(guān)鍵斷面局部坐標(biāo)示意圖見圖20。表6、橫橋向風(fēng)荷載作用下主要斷面內(nèi)力計算結(jié)果位置FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N*m)MZ(N*m)14.5122E+051.7463E+054.3168E+042.6059E+05-5.9860E+053.5808E+0729.5552E+051.0307E+061.2322E+055.7405E+052.5109E+06-3.1196E+0738.1029E+05-7.4814E+05-1.0235E+05-4.6104E+051.6602E+06-2.7811E+0746.6356E+05-3.7235E+05-1.29

17、63E+04-2.8609E+05-6.0959E+055.9136E+0653.6444E+05-7.8126E+04-2.7293E+043.2735E+047.2584E+051.2119E+0763.3255E+05-6.7227E+03-2.6002E+041.7544E+047.2584E+051.2385E+077-2.6237E+07-3.0706E+04-2.2491E+05-9.7411E+042.0081E+061.4362E+0682.2783E+07-8.4840E+041.5145E+06-3.9990E+042.4141E+073.3933E+069-2.1178

18、E+07-1.2315E+05-1.6480E+063.6925E+05-2.4836E+07-1.5536E+06102.6302E+077.6056E+032.0162E+052.1325E+05-2.1271E+06-1.2792E+06115.8420E+050.0000E+005.6994E+050.0000E+004.7583E+060.0000E+00126.5424E+040.0000E+006.2422E+050.0000E+005.0808E+060.0000E+0013-4.5700E+050.0000E+005.6991E+050.0000E+004.7581E+060

19、.0000E+00143.5080E+05-1.4785E+024.8750E+05-4.4050E+003.5816E+061.8289E+0315-1.0307E+04-6.7479E+015.2938E+057.7117E+023.8005E+066.6954E+0216-3.5189E+052.1533E+024.6015E+05-5.6698E+033.4350E+06-2.4984E+03171.9476E+050.0000E+003.5713E+050.0000E+003.3219E+060.0000E+0018-9.0294E+040.0000E+003.5713E+050.0

20、000E+003.3219E+060.0000E+00表7、橫橋向風(fēng)荷載作用下主要斷面位移計算結(jié)果斷面UX(m)UY(m)UZ(m)ROTX(rad)ROTY(rad)ROTZ(rad)1/4跨-0.00010.0089-0.0010-0.00010.00000.0001中跨0.00000.0082-0.0014-0.00010.0000-0.00013/4跨0.00010.0034-0.00110.00000.0000-0.0001邊跨中點0.00020.0009-0.00060.00000.00000.0000上游塔柱0.00240.0012-0.2745-0.00430.00000.00

21、00下游塔柱0.0035-0.0011-0.2737-0.00430.00000.0000表8、順橋向風(fēng)荷載作用下主要斷面內(nèi)力計算結(jié)果位置FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N*m)MZ(N*m)1-3.7088E+062.2796E-027.1815E+041.4823E-02-1.0080E+06-1.8548E+002-6.2231E+062.2796E-02-5.0124E+052.0461E-02-1.2950E+07-3.9081E+0038.0769E+061.7426E-01-4.2878E+05-8.3202E-041.2885E+07-4.7190E+0046

22、.7643E+061.7426E-01-1.2602E+03-1.0286E-023.0057E+06-1.4471E+0154.0644E+06-5.4892E-017.4458E+05-3.4731E-02-5.5594E+06-2.0906E+0163.7239E+06-5.4892E-016.3745E+05-2.5613E-02-5.5594E+06-2.0921E+0178.7959E+04-2.4399E+05-1.0514E+043.0450E+06-5.4977E+042.7416E+0786.9169E+05-8.1668E+06-1.9240E+042.1097E+07-

23、8.9905E+041.3904E+0896.9169E+058.1668E+06-1.9240E+04-2.1097E+07-8.9904E+04-1.3904E+08108.7959E+042.4399E+05-1.0514E+04-3.0450E+06-5.4976E+04-2.7416E+07117.5301E+04-1.3293E+052.0308E+012.8964E-081.2166E+021.3984E+06127.7458E+04-1.3293E+05-8.1946E-032.1994E-10-7.2257E-021.3984E+06137.5301E+04-1.3293E+

24、05-2.0322E+01-2.8887E-08-1.2179E+021.3984E+0614-1.2489E+05-1.2559E+05-3.3817E+01-2.3267E+00-1.7218E+021.1783E+0615-1.2880E+05-1.2559E+051.4922E+001.2699E-011.6742E+011.1783E+0616-1.2489E+05-1.2559E+053.1776E+01-1.4825E+001.7924E+021.1783E+0617-6.9928E+05-1.2431E+053.6159E-011.3524E-084.0484E+001.317

25、3E+0618-6.9928E+05-1.2431E+053.6159E-011.1541E-084.0484E+001.3173E+06表9、順橋向風(fēng)荷載作用下主要斷面位移計算結(jié)果斷面UX(m)UY(m)UZ(m)ROTX(rad)ROTY(rad)ROTZ(rad)1/4跨0.00880.01470.00000.00000.00000.0002中跨0.00860.01530.00000.00000.0000-0.00013/4跨0.00840.00960.00000.00000.0000-0.0001邊跨中點0.0087-0.00690.00000.00000.00000.0001上游塔柱

26、0.02180.0001-0.00040.00000.0002-0.0001下游塔柱0.02180.00010.00040.0000-0.0002-0.0001圖10橫橋向風(fēng)作用下主梁內(nèi)力ANJUN4200519:03:18-958426-740767-523109-305450-87792LINESTRESSSTEP=9999FXIFXJMIN=-958426ELEM=150MAX=21037ELEM=125ANJUN4200519:03:18LINESTRESSSTEP=9999FYIFYJMIN=-.114E+07ELEM=121MAX=.102E+07ELEM=151-660895-1

27、80732299432779596-42081359350539514-.114E+07-900977.102E+07LINESTRESSSTEP=9999FZIFZJMIN=-122913ELEM=151MAX=183102ELEM=121ANJUN4200519:03:1881097-122913-5490913094889112090847095149100115098183102LINESTRESSSTEP=9999MXIMXJMIN=-.118E+07ELEM=121MAX=544517ELEM=151ANJUN4200519:03:18-.118E+07-797766-414256

28、-30747352762-989520-606011-22250216100854451/LINESTRESSSTEP=9999MYIMYJMIN=-.249E+07ELEM=151MAX=.291E+07ELEM=127ANJUN4200519:03:18-.249E+07-.129E+0792452.111E+07.231E+07.189E+07692915508011.171E+07.291E+07LINESTRESSSTEP=9999MZIMZJMIN=.293E+08ELEM=151MAX=.392E+08ELEM=133ANJUN4200519:03:18.293E+08.141E

29、+08.115E+07.164E+08.316E+08.21/E+08.64/E+0/.8/E+0/.240E+08.392E+08圖11橫橋向風(fēng)作用下橋塔內(nèi)力LINESTRESSELEM=3942005STEP=999919:03:18FXIFXJMINELEM=91-.236E+08一.丄02E+08.334E+07.丄68E+08303E+08MAX=303E+08FYIMAX=110428LINESTRESSSTEP=999919:03:18FYJMIN=-274782ELEM=112ELEM=2442005LINESTRESSSTEP=9999MXIMXJMIN=-225482ELE

30、M=106MAX=258253ELEM=41ANJUN4200519:03:19-225482-117986-1048997008204504onANJUN4200519:03:19-.184E+09-.102E+09-.204E+08.613E+08.143E+09-.143E+09-.613E+08.204E+08.102E+09.184E+09LINESTRESSSTEP=9999MZIMZJMIN=-.416E+07ELEM=49MAX=.397E+07ELEM=104ANJUN4200519:03:19LINESTRESSSTEP=9999MYIMYJMIN=-.184E+09ELE

31、M=86MAX=.184E+09ELEM=34354149.126E+07.306E+07.216E+0/.39/E+0/-.416E+07-.236E+07-549204-.326E+0/.丄45E+0/圖12順橋向風(fēng)作用下主梁內(nèi)力LINESTRESSSTEP=9999FXIFXJMIN=-.632E+07ELEM=151MAX=.820E+07ELEM=152ANJUN4200519:04:19ZX-.632E+07-.309E+07133961.336E+07.659E+07-.47丄E+0/一.丄48E+0/.丄/5E+0/.49/E+0/.820E+0/ANJUN4200519:04

32、:19LINESTRESSSTEP=9999FYIFYJMIN=-.559683ELEM=180MAX=.1/3933ELEM=161-.559683-.39665/-.233631-.0/0606.09242.4/81/.315144.152119.01090/LINESTRESSSTEP=9999FZIFZJMIN=-552997ELEM=168MAX=748809ELEM=169ANJUN4200519:04:19X-552997-26370725583314873Q604164LINESTRESSSTEP=9999MXIMXJMIN=-.066053ELEM=123MAX=.08201

33、5ELEM=180ANJUN4200519:04:19-nTmt-r-r-i-rTlLV1Jjr7.032659.065563.01620/.049111-.066053-.033149-.245E-03-.049601-.016697.082015一./15E+U-.312E+U9U2245.493E+U.895E+U/LINESTRESSSTEP=999919:04:19MYIMYJELEM=151MAX=895E+07ELEM=152-.916E+U7-.514E+U7-.111E+U7291E+U7.694E+U7MIN=-916E+07JUN42005TTTkzWL¥ZX-23.309.001146-7.7710.36-2.5915.181-18.129-12.9520.71915.54LINESTRESSSTEP=999919:04:19MZI