斜拉桥风致抖振时域分析
2018-05-07
1.引言
我国的中西部山区面积广大，地形复杂，具有山高谷深，风环境复杂等特点，这就需要建设大跨径桥梁以跨越山谷、河流等。其中斜拉桥是跨越能力比较强的柔性桥型之一。旧塔科马桥的风毁事故引起人们对桥梁风致振动的关注，其中风对斜拉桥等大跨度桥梁的影响不容忽视。频域分析、全桥模型风洞试验方法和时域分析方法是现在分析桥梁抖振的主要方法，其中桥梁有限元模型时域分析是比较常用的方法。
2.时域方法的主要步骤
桥梁结构抖振时域分析主要包括三个方面：一是空间脉动风场的有效模拟；二是时域风荷载模型的处理；三是非线性时程分析。
2.1.脉动风的模拟
1）主梁模型的选择。在大跨径桥梁全桥的结构分析中，常采用平面和空间杆系结构，塔和墩简化为通过其中心线的两节点两单元，而斜拉索等杆系简化为两节点杆单元。在三维空间分析中，由于主梁作为横向尺寸较大的实体结构，其纵向还有斜拉索、纵梁等不同构件连接。都使得不能只用一个空间梁单元进行描述。大跨径桥梁主梁主要有三种不同的计算模型：三梁式、双梁式以及鱼骨式。
2）风场模拟方法的选择。抖振响应时域分析，首先依据目标功率谱函数数值模拟空间脉动风场。对于平稳随机过程，比较常用的方法有谐波合成法与线性滤波法。谐波合成法计算量较大，但是精度较高，一般常采用这种方法。
2.2.抖振风荷载
2.3.非线性时程分析
结构几何非线性处理方法。现代大跨径桥梁的柔性特征十分明显，特别是悬索桥和斜拉桥，对其进行动力分析时必须要考虑几何非线性，才能得到精确的计算结果。随着计算机性能的提高，也使得我们可以研究复杂结构的非线性问题。大跨径桥梁结构受到几何非线性的影响，其整体刚度在抖振有限元分析中是变化的。因而不可直接使用线性不变时的NewMark-β显式积分，这种方法的求解结果是不稳定的。可以采用结合Newton-Raphson和NewMark-β迭代法来求解。
3.工程实例
3.1工程概况
该桥位于湖北省境内，是一座主跨为320m的预应力混凝土双塔双索面斜拉桥，主梁宽27.3m、高3.0m。混凝土宝石型塔高约120m，塔墩高约72m，桥塔总高约192m。主梁采用现场悬浇施工方案。
3.2模型处理
主梁模型采用鱼骨式，脉动风的模拟采用改进的谐波合成法以Simiu谱和Panofshy谱为横向和竖向脉动风场的目标谱。通过有限元软件建立模型如图3.1。风场模拟参数如表3.1。主梁处脉动风时程曲线如图3.2和图3.3所示。
3.3成桥阶段抖振力计算
大桥成桥节段在0攻角的横向和竖向脉动风作用下的抖振响应进行了分析。在计算分析中，有关参数取值如下：来流的自然攻角为0；紊流的功率谱密度函数中反映空间相关性的纵向和竖向脉动风速指数衰减系数Cz 、Cy和Cw分别为16、10、6；地面粗糙长度按D类地区取为1.0m；桥梁结构的质量阻尼系数和刚度阻尼系数分别为0.056和0.0011；拉索和桥塔构件的气动导纳取1.0；主梁气动导纳取1.0的Liepmann简化公式计算；成桥状态抖振计算风速取设计基准风速24.8m/s。经计算发现时间步在500步以后响应统计量的变化就不是很明显了，所以综合考虑确定计算荷载步取为1000步。计算结果如图3.4到3.7所示。
4.结论
1）由图3.4图3.5和图3.6可以得到成桥状态时在设计风速下主梁振幅数值较小，满足规范要求。主梁竖向振动具有简谐振动的特性，线形圆滑，振幅大于横向，是桥梁的主要振动方向。
2）图3.7主梁竖向移的均方根曲线圆滑，线性流畅，表明计算结果数值模拟较准确，符合实际桥梁振动变化。
综上可得出该桥成桥阶段在设计风速的脉动风作用下，桥梁发生抖振振幅较小，满足规范要求。
参考文献：
[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M]. 北京：人民交通出版社，2005
[2]JTG/TD 6001―2004，《公路桥梁抗风设计规范》[S]..北京：人民交通出版社，2004
