截面形式對大跨斜拉懸索協(xié)作體系橋梁抗風性能的影響

謝 佳 利

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1 概述

橋梁抗風性能研究是橋梁建設(shè)中的難題。結(jié)構(gòu)的抗風性能受到結(jié)構(gòu)幾何外形、結(jié)構(gòu)的剛度、阻力大小、扭彎頻率比、密度等的影響[1]。大跨度橋梁截面形式多樣，采用較多的是流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁。其截面形狀和尺寸直接影響了氣動力參數(shù)，進而影響橋梁抗風性能。本文主要從結(jié)構(gòu)的幾何形狀入手，探討流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁這兩種常用截面在抗風性能上的不同表現(xiàn)，主要涉及靜風荷載及顫振穩(wěn)定性兩大抗風問題。

以某特大跨海橋梁作為算例模型，為跨度組合378 m+1 408 m+378 m的地錨式斜拉—懸索協(xié)作體系，斜拉—懸索協(xié)作體系橋具有超大跨越能力，融合了懸索橋柔性纜索體系和斜拉橋拉索體系的特點，目前國內(nèi)有學(xué)者就此類橋梁結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能進行過分析研究[2]，但尚無斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁的抗風性能研究。

本文運用ANSYS軟件進行數(shù)值分析，ANSYS是美國ANSYS公司研制的融合結(jié)構(gòu)、流體、電場、磁場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS可簡化復(fù)雜流體力學(xué)工程問題，可通過實體建模、網(wǎng)格劃分、荷載施加及強大的后處理簡化復(fù)雜流體動力學(xué)工程問題，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)非線性分析、動力分析、熱分析等。

根據(jù)算例模型建立有限元模型(見圖1)，分別賦予流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁，截面形式如圖2，圖3所示，截面參數(shù)見表1。兩種截面的高寬比比例相近，分析中賦予兩種截面形式相同的寬度，對截面尺寸進行等比例放大或縮小。對比其不同風速下關(guān)鍵點風致內(nèi)力和跨中撓度的變化曲線，以及兩種截面形式下的顫振臨界風速，對兩種截面形式在大跨度橋梁抗風性能上的不同表現(xiàn)作出基本評價。

表1 流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁截面參數(shù)

箱梁類型截面寬度B/m截面高度H/m豎向?qū)ΨQ彎曲基頻fb/Hz對稱扭轉(zhuǎn)基頻ft/Hz流線型閉合式鋼箱梁57.460.202 40.285 6分離式雙箱梁363.510.217 60.308 3

2 風致內(nèi)力對比分析

風對結(jié)構(gòu)的靜力作用是衡量結(jié)構(gòu)抗風性能基本面，風軸坐標系下，橋梁斷面的靜風荷載一般由無量綱的三分力系數(shù)來表征[3]，分別為:

阻力系數(shù):

(1)

升力系數(shù):

(2)

扭矩系數(shù):

(3)

本文選取橋梁在0°攻角下三分力系數(shù)進行風致內(nèi)力計算，利用Fluent軟件計算截面三分力系數(shù)，流線型閉合式箱梁的三分力系數(shù)，其中，0°攻角下的三分力系數(shù)分別為：CD=0.276，CL=-0.438，CM=-0.012；分離式雙箱梁的三分力系數(shù)為：CD=0.820 7，CL=-0.011 1，CM=-0.015 7。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS建立有限元模型對比分析，得到在不同風速下橋梁關(guān)鍵點(塔底、支座、中跨1/8、中跨1/4、中跨3/8、跨中)內(nèi)力及跨中撓度的變化趨勢，如圖4～圖9所示。

內(nèi)力分析數(shù)據(jù)對比顯示，從水平分力隨風速增長呈非線性增大，除支座處以外，其余部位分離式雙箱梁水平分力大于流線型鋼箱梁，豎向分力兩者差別不大，隨風速均略有增長，扭矩均隨風速呈非線性增長，分離式雙箱梁均大于流線型鋼箱梁。所選取的部位上，均以扭矩起主導(dǎo)作用。對于跨中最大撓度，在低風速下，兩者相差不大，隨著風速的增加，閉合式鋼箱梁截面產(chǎn)生的最大撓度增加速度更快，見圖10，圖11。

以豎向分力、水平分力、扭矩、跨中撓度四個參數(shù)對比，閉合式箱梁截面僅跨中撓度參數(shù)上劣于分離式雙箱梁，且在高風速下，對應(yīng)撓度數(shù)值均在可接受范圍內(nèi)，其余三個參數(shù)均表現(xiàn)更優(yōu)，所以，對于大跨懸索橋，在風致內(nèi)力上流線型鋼箱梁截面的表現(xiàn)更加優(yōu)越。

3 顫振

顫振是由彈性力、慣性力、阻尼力及自激氣動力相互作用形成的一種氣動彈性失穩(wěn)現(xiàn)象[4]。在大跨度橋梁中顫振穩(wěn)定性的評估成為抗風設(shè)計的關(guān)鍵，顫振穩(wěn)定性主要通過確定結(jié)構(gòu)的顫振臨界風速來衡量。

在二維均勻流中橋面主梁單位長度上的自激氣動力包括升力L和扭矩M，通常采用scanlan[5]提出的自激氣動力計算表達式，即：

(4)

(5)

流線型扁平閉合式箱梁是彎扭耦合較為嚴重的耦合顫振，與理想薄板非常相似，圖12是筆者采用二維單自由度強迫振動法運用FLUENT模擬風場并結(jié)合MATLAB計算得到的流線型閉合式箱梁顫振導(dǎo)數(shù)[6]，詳細計算公式參見文獻[6]；發(fā)生于分離式雙箱梁的是豎向自由度參與較少的扭轉(zhuǎn)形態(tài)顫振，風場模擬不能有效反映結(jié)構(gòu)與風場之間的復(fù)雜作用，計算結(jié)果與風洞測試值出入很大，風洞試驗得到的顫振導(dǎo)數(shù)如圖13所示。

流線型閉合式箱梁計算模型的縮尺比例為1∶100，設(shè)計阻尼比取0.3%，運用狀態(tài)空間法計算[7]在計算模型下得到的顫振臨界風速為：Uf=73.36 m/s。采用分離式雙箱梁截面的顫振導(dǎo)數(shù)進行計算，在相同跨徑和相同結(jié)構(gòu)下得到顫振臨界風速為：Uf=77.19 m/s。

從顫振穩(wěn)定性分析可以看出，分離式雙箱梁截面形式下的顫振臨界風速更高，表明在顫振穩(wěn)定性上分離式雙箱梁表現(xiàn)更優(yōu)越。

4 結(jié)語

從以上計算結(jié)果可知，兩種截面形式各有優(yōu)勢，流線型閉合式箱梁產(chǎn)生的靜風荷載較小，在大跨度橋梁中可以有效控制截面內(nèi)力；分離式雙箱梁顫振穩(wěn)定性較好，有效控制了大跨度橋梁的臨界發(fā)散風速。在截面選擇中，對于荷載較大的特大橋梁，如鐵路貨運橋梁，應(yīng)優(yōu)先考慮采用流線型閉合式箱梁截面來控制截面最大內(nèi)力；對于地處風環(huán)境惡劣地區(qū)的特大橋梁，應(yīng)優(yōu)先考慮采用分離式雙箱梁截面提高氣動穩(wěn)定性。斜拉—懸索協(xié)作體系提升了橋梁的跨越能力，研究可看出截面形式的選擇顯著影響橋梁抗風性能，后續(xù)研究中可增加截面形態(tài)，對截面形式進行更詳細的抗風性能參數(shù)化對比分析，為尋求最優(yōu)截面形式匹配方案提供依據(jù)。

參考文獻：

[1] 何晗欣.橋梁抗震與抗風及其影響因素分析研究[D].西安：長安大學(xué)博士論文，2011.

[2] 韓立中.大跨度自錨式斜拉懸索橋分析方法與性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)博士論文，2009.

[3] 陳政清.橋梁風工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] M. Matsumoto.Frequency characteristics in various flutter instabilities of bridge girders[J]. Wind Eng. Ind. Aerodyn,2002(90):1973-1980.

[5] E. Simiu, R. H. Scanlan.Wind Effects on Structures-An Introduction to Wind Engineering[M].Third Edition,1996.

[6] 龐 偉.基于FLUENT軟件大跨度橋梁顫振導(dǎo)數(shù)識別[D].成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2007.

[7] 陳國芳.大跨度橋梁顫抖振分析[D].大連：大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，2011.