斜拉橋靜風(fēng)穩(wěn)定分析
2018-04-02
0 引言
風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害中發(fā)生最頻繁的一種，近十幾年，橋梁建設(shè)進(jìn)入了大跨度時(shí)代，隨著理論的發(fā)展，材料和施工方法的進(jìn)步，斜拉橋、懸索橋的跨徑的跨徑越來越長。斜拉橋具有“塔高，跨長，索長、質(zhì)輕、結(jié)構(gòu)柔和阻尼弱”的特點(diǎn)，從而導(dǎo)致風(fēng)荷載對橋梁安全、舒適性有著重要影響。風(fēng)對橋梁主要有靜力作用和動力作用，本文主要結(jié)合工程實(shí)例分析靜力風(fēng)荷載對混凝土主梁的斜拉橋的影響。
靜風(fēng)響應(yīng)指結(jié)構(gòu)在靜力風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力、變位和靜力不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要體現(xiàn)為結(jié)構(gòu)的剛度和靜風(fēng)穩(wěn)定性。斜拉橋在靜風(fēng)荷載的作用下有可能發(fā)生橫向屈曲失穩(wěn)和靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散失穩(wěn)。主梁在靜風(fēng)荷載下發(fā)生偏移和扭轉(zhuǎn)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到橫向屈曲臨界風(fēng)速時(shí)，主梁的變形由原來的側(cè)向彎曲突然變成在側(cè)彎狀態(tài)下的豎彎和扭轉(zhuǎn)的耦合變形，結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，喪失承載力；當(dāng)風(fēng)速達(dá)到靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速時(shí)，主梁由于升力矩過大導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)角劇增而產(chǎn)生傾覆現(xiàn)象。
目前斜拉橋靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速計(jì)算中采用的方法主要是線性的規(guī)范方法和非線性方法兩種。
1 線性方法
線性方法是一種基于二維扭轉(zhuǎn)發(fā)散模型的簡化方法，簡化之處主要在于：①結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)恢復(fù)力非線性模型按照線性模型處理，同時(shí)靜風(fēng)荷載對攻角的非線性函數(shù)簡化為線性函數(shù)；②將實(shí)際的彎扭耦合失穩(wěn)簡化為單一的扭轉(zhuǎn)模態(tài)失穩(wěn)；③未考慮加勁梁的三分力沿橋軸線方向的分布。
目前《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/TD60.01.2004）（文獻(xiàn)[1]）即采用這種方法計(jì)算懸索橋和斜拉橋的橫向屈曲臨界風(fēng)速和靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速。神農(nóng)溪特大橋是一座主跨為320m的預(yù)應(yīng)力混凝土雙塔雙索面斜拉橋，主梁寬27.3m、高3.0m?；炷翆毷退呒s120m，塔墩高約72m，橋塔總高約192m。
1.1 靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速
斜拉橋的靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速可按規(guī)范中述公式計(jì)算：
（1）
（2）
=10.25；=13.65；= 1.001 （3）
計(jì)算可得斜拉橋靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速遠(yuǎn)大于200m/s。
雖然線性方法計(jì)算簡單方便，但是隨著斜拉橋跨徑的增長，其計(jì)算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果相差較大。故對大跨徑斜拉橋使用非線性方法更精確。
2 非線性方法
在計(jì)算靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散風(fēng)速時(shí)，為全面考慮結(jié)構(gòu)與氣動力的非線性，有必要建立全橋的三維有限元模型進(jìn)行靜風(fēng)穩(wěn)定的精細(xì)化計(jì)算，分析中考慮如下因素：①在一定風(fēng)速的靜風(fēng)荷載作用下，加勁梁扭轉(zhuǎn)引起有效攻角改變，三分力系數(shù)隨之變化，進(jìn)而靜風(fēng)荷載變化，如此反復(fù)，充分反映靜風(fēng)荷載對攻角的非線性；②由于有效風(fēng)攻角沿橋軸線方向變化，從而靜風(fēng)荷載沿橋軸線方向是變化的，反映出靜力風(fēng)荷載的空間分布。
2.1計(jì)算過程
神農(nóng)溪大橋的靜風(fēng)響應(yīng)非線性計(jì)算采用風(fēng)洞試驗(yàn)和數(shù)值分析相結(jié)合的方法：根據(jù)節(jié)段模型靜力三分力試驗(yàn)結(jié)果并用有限元分析軟件進(jìn)行全橋非線性靜力分析，計(jì)算主梁在不同風(fēng)速作用下的位移和轉(zhuǎn)角，得出該橋的靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速，計(jì)算過程如圖所示。
圖1靜風(fēng)有限元分析框圖
2.2 斜拉橋各部分構(gòu)件的風(fēng)荷載
2.2.1 主梁
如式（4）、（5）（6）所示，作用在加勁梁上的風(fēng)荷載有阻力、升力和扭轉(zhuǎn)力矩，有限元分析時(shí)在體軸坐標(biāo)系中加載，正負(fù)號規(guī)定如圖2所示。
2.2.2 橋塔、斜拉索
根據(jù)文獻(xiàn)[1]4.4.1的規(guī)定，橋塔、斜拉索的靜風(fēng)荷載按下式計(jì)算：
（7）
式中：
—分別為橋塔、斜拉索和橋墩的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速（m/s），根據(jù)文獻(xiàn)[1]3.2.1的規(guī)定，風(fēng)速沿豎直高度方向上的分布可按下式計(jì)算：
（8）
根據(jù)文獻(xiàn)[1]4.2.1的規(guī)定靜陣風(fēng)風(fēng)速：
?。?）
2.3 計(jì)算模型
圖3 全橋有限元模型
圖4 靜力三分力系數(shù)
2.4 計(jì)算風(fēng)荷載作用下橋梁位移
通過有限元軟件計(jì)算不同風(fēng)攻角下橋梁各構(gòu)件的位移響應(yīng)隨主梁設(shè)計(jì)風(fēng)速的變化規(guī)律如圖5、圖6、圖7和圖8所示。
1）主梁的跨中扭轉(zhuǎn)角
主梁跨中扭轉(zhuǎn)角隨主梁設(shè)計(jì)風(fēng)速變化如圖5、圖6所示。
圖5負(fù)初始攻角下風(fēng)速轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線
圖6正初始攻角下風(fēng)速轉(zhuǎn)角關(guān)系曲線
2）主梁的跨中豎向位移
主梁的跨中豎向位移隨設(shè)計(jì)風(fēng)速變化如圖7所示。
圖7 主梁跨中豎向位移
3）主梁的跨中橫向位移
主梁跨中扭轉(zhuǎn)角隨設(shè)計(jì)風(fēng)速變化如圖8所示。
圖8 主梁跨中橫向位移
3 結(jié)論
1）根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以知道混凝土主梁在靜力風(fēng)荷載作用下有良好的穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)風(fēng)荷載下滿足穩(wěn)定性要求。
2）從圖7和圖8可以看出風(fēng)攻角在正負(fù)2度變化范圍內(nèi)斜拉橋主梁的豎向和橫向位移變化很小，可以看出混凝土主梁能適應(yīng)不同風(fēng)環(huán)境。
3）從圖5和圖6中數(shù)據(jù)可以看出混凝土主梁不同等級風(fēng)荷載作用下，其扭轉(zhuǎn)角角度很小，從而可知主梁有著良好抗扭剛度。正初始攻角風(fēng)對主梁更具有危害性
根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知混凝土主梁有著良好的靜力風(fēng)穩(wěn)定性，適用于一些風(fēng)荷載比較大的地區(qū)
參考文獻(xiàn)
[1]項(xiàng)海帆．JTG/TD60.01.2004公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]．北京：人民交通出版社，2004
[2] 《神農(nóng)溪大橋節(jié)段實(shí)驗(yàn)報(bào)告》
[3]陳政清．橋梁風(fēng)工程[M]．北京：人民交通出版社，2005
