某簡(jiǎn)支梁橋的抖振響應(yīng)分析

羅文暉

摘要：橋梁施工技術(shù)不斷進(jìn)步成熟，促使了當(dāng)今城市、公路橋梁向大跨度的方向發(fā)展。隨著跨度的不斷增加，橋梁的剛度變小，柔度增大，對(duì)風(fēng)的敏感度提高。所以，橋梁的風(fēng)致響應(yīng)分析是橋梁建設(shè)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題。本文以小跨度簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楣こ瘫尘?，?jiǎn)單介紹橋梁抖振振動(dòng)響應(yīng)的數(shù)值模擬過(guò)程以及相關(guān)的理論基礎(chǔ)，包括：脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程模擬、截面三分力系數(shù)模擬、荷載時(shí)程模擬以及橋梁抖振結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析。

關(guān)鍵詞：簡(jiǎn)支梁;抖振;脈動(dòng)風(fēng);三分力系數(shù);荷載時(shí)程

引言

自然風(fēng)由平均風(fēng)和脈動(dòng)風(fēng)組成。其中，平均風(fēng)是常量，不隨時(shí)間變化，而脈動(dòng)風(fēng)隨時(shí)間不斷變化。風(fēng)對(duì)橋梁的荷載響應(yīng)形式包括靜風(fēng)荷載、抖振、馳振、顫振和渦激振動(dòng)。風(fēng)對(duì)橋梁的靜力荷載是由平均風(fēng)引起的，靜風(fēng)會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)和側(cè)彎失穩(wěn)。

抗風(fēng)設(shè)計(jì)中，要求把抖振的最大振幅限制在可接受的范圍內(nèi)，以避免結(jié)構(gòu)的疲勞、人感不適以及行車(chē)不安全等問(wèn)題[1]。本文的分析對(duì)象是小跨徑簡(jiǎn)支梁橋，剛度相對(duì)比較大，抖振分析是本文的分析對(duì)象。

1.脈動(dòng)風(fēng)模擬

目前對(duì)脈動(dòng)風(fēng)的模擬的方法主要有兩種，即諧波分析法和線性濾波法。諧波分析方法計(jì)算量比較大。相反，AR模型具有速度快、計(jì)算量小和精度高的特點(diǎn)，得到廣泛的應(yīng)用[2]。本文采用的方法是AR模型。本文以跨徑為20m的簡(jiǎn)支梁為工程背景，整個(gè)結(jié)構(gòu)由20個(gè)單元，21個(gè)節(jié)點(diǎn)組成，每個(gè)單元的單元長(zhǎng)度均為1m。主梁高度設(shè)為20m。

脈動(dòng)風(fēng)速水平方向分量采用Kaimal風(fēng)速譜，豎向方向分量采用Panofsky風(fēng)速譜。平均風(fēng)速假設(shè)為24.1m/s。模擬結(jié)果如下：

2.動(dòng)力風(fēng)荷載

2.1 截面三分力系數(shù)

通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)測(cè)定經(jīng)理三分力系數(shù)來(lái)描述風(fēng)對(duì)橋梁的靜力作用，但需要縮尺模型，且具有周期長(zhǎng)、成本高、不能進(jìn)行強(qiáng)風(fēng)暴雨模擬等特點(diǎn)[3]。前人經(jīng)過(guò)對(duì)比風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬結(jié)果，證明了CFD模擬的精確性。本文利用Fluent軟件，模擬計(jì)算整體式肋梁截面的靜力三分力系數(shù)。

圖9可見(jiàn)，縱橋向位移為0，對(duì)比圖7中的瞬態(tài)分析縱橋向位移，說(shuō)明風(fēng)動(dòng)力荷載會(huì)引起縱橋向的微小振動(dòng)，但振動(dòng)幅度很小。從Ansys計(jì)算可知，跨中節(jié)點(diǎn)的位移放大系數(shù)，在100s時(shí)間內(nèi)，大部分時(shí)候保持在之間。由于結(jié)構(gòu)振動(dòng)的滯后性，使少數(shù)時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位移放大系數(shù)很大，達(dá)到1000左右。

4 結(jié)論

本文以小跨徑簡(jiǎn)支梁橋?yàn)楣こ瘫尘埃榻B了數(shù)值模擬風(fēng)譜和計(jì)算三分力系數(shù)并通過(guò)Ansys建模計(jì)算抖振響應(yīng)的過(guò)程，計(jì)算結(jié)果表明：在升力、阻力和力矩的作用下，橋梁主要振動(dòng)響應(yīng)是橫橋向和豎向的振動(dòng);在100s的時(shí)間內(nèi)，橋梁跨中的線位移比兩邊的線位移大;通過(guò)對(duì)比靜態(tài)分析的結(jié)果，發(fā)現(xiàn)跨中節(jié)點(diǎn)位移放大系數(shù)大部分時(shí)間保持在之間，個(gè)別的比較大，其原因可能是結(jié)構(gòu)振動(dòng)的滯后性。

參考文獻(xiàn)

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[2] 基于AR模型的空間脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程模擬方法研究.

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[5] 大跨度公路斜拉橋風(fēng)致抖振時(shí)域分析.

[6] 關(guān)于橋梁結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)導(dǎo)納.

[7] 橋梁風(fēng)致響應(yīng)的數(shù)值模擬.

（作者單位：華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院）