不同攻角下橋梁的抖振響應(yīng)分析

不同攻角下橋梁的抖振響應(yīng)分析

橋梁結(jié)構(gòu)的抖動是指在自然風(fēng)濕的作用下隨機(jī)強(qiáng)迫振動。結(jié)構(gòu)的抖振現(xiàn)象可以分為3類,即由結(jié)構(gòu)物自身尾流引起的抖振、由其他結(jié)構(gòu)物特征紊流引起的抖振和由自然風(fēng)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(fēng)引起的抖振往往占主導(dǎo)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(jìn)行的研究。自20世紀(jì)60年代Davenport、70年代Scanlan和Lin搭建了基礎(chǔ)理論框架以來,橋梁抖振分析方法在橋梁工程抗風(fēng)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(xì)化的趨勢,其中一項亟待豐富的研究內(nèi)容就是考察風(fēng)攻角對橋梁抖振的影響。對于實際暴露于自然風(fēng)場中的橋梁,風(fēng)的來流方向并非水平,而是與橋面存在著一定的夾角。風(fēng)向與橋面的夾角稱為風(fēng)攻角,一般當(dāng)風(fēng)向斜向上時風(fēng)攻角為正,反之為負(fù)。目前在各大橋設(shè)計階段的抖振計算中,大多數(shù)并沒有考慮風(fēng)攻角的影響?；诖?本文對斜拉橋在不同攻角脈動風(fēng)作用下進(jìn)行分析計算,得出了不同攻角下橋梁的抖振響應(yīng)。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(cè)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(dá)。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(jié)構(gòu),上下層橋面均為正交異性鋼橋面板,拉索采用平行高強(qiáng)度鋼絲索。各塔、墩處設(shè)豎向支座。主梁采用雙片桁式結(jié)構(gòu),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(diǎn)處設(shè)一道橫梁,間距13.5m,其間每隔2.7m設(shè)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(diǎn)處設(shè)一道橫梁,間距13.5m,其間每隔2.7m再設(shè)置一道橫梁。主桁每個節(jié)點(diǎn)處均設(shè)有橫聯(lián)。鋼材根據(jù)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(jié)構(gòu),混凝土標(biāo)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?qū)挾葹?.5m,縱橋向?qū)挾葹?.0～15.0m。2塔柱在豎向設(shè)置2道橫梁。2多個一維風(fēng)速場首先將斜拉橋的三維風(fēng)速場進(jìn)行簡化,即將斜拉橋面狀三維相關(guān)的隨機(jī)風(fēng)場(即一個三維多變量隨機(jī)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(dú)立的線狀一維風(fēng)速場(即多個一維多變量隨機(jī)過程)。然后采用諧波合成法模擬每個獨(dú)立的一維風(fēng)速場,即可得到每個一維風(fēng)速場的脈動風(fēng)速時程。在風(fēng)場模擬過程中,橋址處水平向及豎向風(fēng)速譜按照我國《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》采用的Kaimal譜;由該規(guī)范給出的“全國基本風(fēng)速和基本風(fēng)速分布圖”確定該公鐵兩用長江大橋所處位置設(shè)計風(fēng)速為25.6m/s。3不同攻角脈動風(fēng)作用下橋塔、橋墩和拉索的動力響應(yīng)分析本文采用大型有限元軟件ANSYS對全橋結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散,建立有限元模型進(jìn)行計算分析,見圖3。當(dāng)不考慮氣動導(dǎo)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(fēng)速分量;Lb,Db,Mb為抖振升力、阻力和轉(zhuǎn)矩;ρ為空氣密度,取1.225kg/m3;U為來流平均風(fēng)速,對于主梁取33.248m/s,對于橋塔依據(jù)各模擬點(diǎn)高度按文獻(xiàn)中的方法計算得到;CL,CD,CM為主梁在風(fēng)軸坐標(biāo)系下的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù),根據(jù)主梁節(jié)段模型的靜力三分力風(fēng)洞試驗結(jié)果,風(fēng)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(shù)在此不再列出;C′L,C′D,C′M為升力系數(shù)、阻力系數(shù)和力矩系數(shù)的斜率;先對主梁風(fēng)軸系下的三分力系數(shù)進(jìn)行擬合,再求出三分力系數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)值;風(fēng)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(shù)的一階導(dǎo)數(shù)值同樣不再列出;A為結(jié)構(gòu)特征高度,m,取18.66m;B為結(jié)構(gòu)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(fēng)作用下橋梁的抖振響應(yīng),并和0°攻角脈動風(fēng)作用下的抖振響應(yīng)進(jìn)行了比較。不同攻角脈動風(fēng)作用下成橋狀態(tài)主梁橫橋向、豎橋向、扭轉(zhuǎn)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(yīng)。由以上位移響應(yīng)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(yīng)在+3°,+6°攻角脈動風(fēng)作用下明顯增大;而在-3°,-6°脈動風(fēng)作用下基本保持不變。(2)在有攻角脈動風(fēng)作用下,主梁豎橋向位移響應(yīng)與0°攻角脈動風(fēng)作用相比都有所減小。(3)與0°攻角相比,主梁扭轉(zhuǎn)位移響應(yīng)在+3°,+6°攻角脈動風(fēng)作用下明顯增大;在-3°,-6°攻角脈動風(fēng)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(fēng)攻角的脈動風(fēng)作用下,橋梁的抖振響應(yīng)差異