不同攻角下橋梁的抖振響應分析

不同攻角下橋梁的抖振響應分析

橋梁結構的抖動是指在自然風濕的作用下隨機強迫振動。結構的抖振現(xiàn)象可以分為3類,即由結構物自身尾流引起的抖振、由其他結構物特征紊流引起的抖振和由自然風中的脈動成分(即大氣紊流)引起的抖振。三者中,脈動的自然風引起的抖振往往占主導地位,因而通常所說的橋梁抖振分析主要是針對由大氣紊流引起的抖振所進行的研究。自20世紀60年代Davenport、70年代Scanlan和Lin搭建了基礎理論框架以來,橋梁抖振分析方法在橋梁工程抗風的實踐過程中發(fā)揮了巨大的作用,其發(fā)展也呈現(xiàn)出越來越精細化的趨勢,其中一項亟待豐富的研究內容就是考察風攻角對橋梁抖振的影響。對于實際暴露于自然風場中的橋梁,風的來流方向并非水平,而是與橋面存在著一定的夾角。風向與橋面的夾角稱為風攻角,一般當風向斜向上時風攻角為正,反之為負。目前在各大橋設計階段的抖振計算中,大多數并沒有考慮風攻角的影響?；诖?本文對斜拉橋在不同攻角脈動風作用下進行分析計算,得出了不同攻角下橋梁的抖振響應。1主梁和鐵路橋面的布置某公鐵兩用長江大橋位于湖北黃岡市,該地區(qū)為長江中游平原,地面起伏平緩,地形上屬殘丘型沖積平原,地貌屬長江一級階地及壟崗、丘陵,長江兩岸一級階地,兩側的二、三級階地被壟崗和丘陵懷抱。兩岸湖、塘密布,道路交通較為發(fā)達。該公鐵兩用長江大橋主橋跨度布置為81m+243m+567m+243m+81m=1215m,見圖1。主梁采用平弦等高度連續(xù)鋼桁梁,主塔為鋼筋混凝土結構,上下層橋面均為正交異性鋼橋面板,拉索采用平行高強度鋼絲索。各塔、墩處設豎向支座。主梁采用雙片桁式結構,見圖2。主桁桁高15.5m。主桁桁式采用外形簡潔的N形桁。桁寬上弦為27.5m,下弦為16.0m,節(jié)間距采用13.5m。上、下弦桿采用箱形截面。公路橋面采用大橫梁、大縱梁正交異性板整體橋面,每個節(jié)點處設一道橫梁,間距13.5m,其間每隔2.7m設置一道橫肋。鐵路橋面采用多橫梁正交異性板整體橋面。每個節(jié)點處設一道橫梁,間距13.5m,其間每隔2.7m再設置一道橫梁。主桁每個節(jié)點處均設有橫聯(lián)。鋼材根據受力大小分別采用了Q370qE,Q345qE等幾種鋼材。主塔采用鋼筋混凝土結構,混凝土標號采用C50。主塔承臺以上高度為193.5m。塔頂高程+202.50m,塔柱采用箱形截面,其截面橫橋向寬度為6.5m,縱橋向寬度為8.0～15.0m。2塔柱在豎向設置2道橫梁。2多個一維風速場首先將斜拉橋的三維風速場進行簡化,即將斜拉橋面狀三維相關的隨機風場(即一個三維多變量隨機過程)簡化為橋塔分別沿x,y方向(x為順橋向,y為橫橋向,z為豎向)及主梁分別沿y,z方向的多個獨立的線狀一維風速場(即多個一維多變量隨機過程)。然后采用諧波合成法模擬每個獨立的一維風速場,即可得到每個一維風速場的脈動風速時程。在風場模擬過程中,橋址處水平向及豎向風速譜按照我國《公路橋梁抗風設計規(guī)范》采用的Kaimal譜;由該規(guī)范給出的“全國基本風速和基本風速分布圖”確定該公鐵兩用長江大橋所處位置設計風速為25.6m/s。3不同攻角脈動風作用下橋塔、橋墩和拉索的動力響應分析本文采用大型有限元軟件ANSYS對全橋結構進行有限元離散,建立有限元模型進行計算分析,見圖3。當不考慮氣動導納時,抖振力可以按下式計算:Lb=12ρU2B{2CL(α0)u(x,t)U+[C′L(α0)+ABCD(α0)]w(x,t)U}Db=ρU2B[CD(α0)ABu(x,t)U+C′D(α0)w(x,t)U]Μb=12ρU2B2[2CΜ(α0)u(x,t)U+C′Μ(α0)w(x,t)U]}(1)式中:u(x,t),w(x,t)為水平向和豎向的脈動風速分量;Lb,Db,Mb為抖振升力、阻力和轉矩;ρ為空氣密度,取1.225kg/m3;U為來流平均風速,對于主梁取33.248m/s,對于橋塔依據各模擬點高度按文獻中的方法計算得到;CL,CD,CM為主梁在風軸坐標系下的升力系數、阻力系數和力矩系數,根據主梁節(jié)段模型的靜力三分力風洞試驗結果,風攻角為0°時取CL=0.2608,CC=0.6329,CM=0.0970,其他攻角下的三分力系數在此不再列出;C′L,C′D,C′M為升力系數、阻力系數和力矩系數的斜率;先對主梁風軸系下的三分力系數進行擬合,再求出三分力系數的一階導數值;風攻角為0°時取C′L=3.7568,C′D=-0.6806,C′M=-0.0210,其他攻角下的三分力系數的一階導數值同樣不再列出;A為結構特征高度,m,取18.66m;B為結構特征寬度,m,取29.468m。對于橋塔、橋墩和拉索,僅考慮抖振阻力,單位長度的橋塔、橋墩和拉索的抖振阻力計算公式如下:Db=ρUDCDu(2)式中:D為橋塔、橋墩的寬度或拉索的外徑。本文計算分析了-6°,-3°,+3°,+6°這4個攻角脈動風作用下橋梁的抖振響應,并和0°攻角脈動風作用下的抖振響應進行了比較。不同攻角脈動風作用下成橋狀態(tài)主梁橫橋向、豎橋向、扭轉和橋塔塔頂橫橋向位移均方根值見圖4～圖7,為方便比較,圖中還給出了0°攻角下的抖振位移響應。由以上位移響應的均方根圖可看出:(1)與0°攻角相比,主梁橫橋向的位移響應在+3°,+6°攻角脈動風作用下明顯增大;而在-3°,-6°脈動風作用下基本保持不變。(2)在有攻角脈動風作用下,主梁豎橋向位移響應與0°攻角脈動風作用相比都有所減小。(3)與0°攻角相比,主梁扭轉位移響應在+3°,+6°攻角脈動風作用下明顯增大;在-3°,-6°攻角脈動風作用下也增大,但與正攻角相比增大的幅度較小。(4)在不同風攻角的脈動風作用下,橋梁的抖振響應差異