惠州下角東江大橋抗風(fēng)及抗震研究報(bào)告(180+101+45獨(dú)塔斜拉橋)

1、同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 惠州下東江大橋主橋結(jié)構(gòu)(有連接桿)抗風(fēng)和抗震性能研究一、 前言惠州市下角東江大橋是惠州市區(qū)二環(huán)路的控制工程。下角東江大橋南、北引橋分別與下角南路、三新南路銜接，其中北引橋上挎沿江三路、文昌二路，在文昌與文化一路之間落地，南引橋再下角南路與下角中路的道口處落地。惠州市下角東江大橋?yàn)轭A(yù)應(yīng)力混凝土獨(dú)塔斜拉橋，主跨180m，主橋跨徑組合為180+101+ 45=326米。主梁由標(biāo)準(zhǔn)段混凝土箱形梁和漸變段混凝土箱形梁組成。主塔采用具有獨(dú)特抽象鵝形造型的雙柱索塔，預(yù)應(yīng)力混凝土空心結(jié)構(gòu)。為保證設(shè)計(jì)方案成橋及施工狀態(tài)的抗風(fēng)安全，對(duì)主橋結(jié)構(gòu)開展抗風(fēng)性能研究是完全必要的。本報(bào)告

2、主要工作是采用數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)分析設(shè)計(jì)方案成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、主梁成橋狀態(tài)的靜三分力系數(shù)與氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)、橋塔阻力系數(shù)、成橋狀態(tài)的靜風(fēng)荷載、顫振臨界風(fēng)速等。計(jì)算程序采用美國ANSYS公司授權(quán)的ANSYS通用有限元分析軟件及風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室自行開發(fā)的離散渦方法（DVMFLUID）流場計(jì)算程序與專用二維顫振分析程序。具體內(nèi)容為：1、橋位處基本風(fēng)速、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速、顫振檢驗(yàn)風(fēng)速的確定；2、采用單梁式的計(jì)算模型分析斜拉橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；3、斜拉橋主梁斷面在成橋狀態(tài)氣動(dòng)參數(shù)計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)方法（CFD）計(jì)算；4、采用二種方法估算結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速。 (1) 采用CFD方法計(jì)算的顫振導(dǎo)數(shù)，由經(jīng)典顫振理論確定

3、0度攻角下顫振臨界風(fēng)速1；(2) 按平板近似公式估算，根據(jù)主梁截面的形狀按公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定選取形狀系數(shù)和攻角效應(yīng)系數(shù)。5、主橋結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)的橫橋向風(fēng)荷載和縱橋向風(fēng)荷載的計(jì)算。二、 基本風(fēng)速、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振檢驗(yàn)風(fēng)速的確定當(dāng)橋梁所在地區(qū)缺乏風(fēng)速觀測資料時(shí)，可以利用公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG/T D60-01-2004) 1中的全國百年一遇基本風(fēng)速分布圖，惠州所在地區(qū)的基本風(fēng)速約為。對(duì)于惠州橋而言，橋位附近地表屬于II類場地，考慮最不利水位，橋面離水面約10m，因此橋面高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速。計(jì)算陣風(fēng)風(fēng)荷載時(shí)應(yīng)采用時(shí)距較小的陣風(fēng)風(fēng)速，陣風(fēng)風(fēng)速選取為，對(duì)于II類地表取1.38，則陣風(fēng)風(fēng)速為

4、52.4m/s。對(duì)于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速的選取為：式中，為考慮風(fēng)速的脈動(dòng)影響及水平相關(guān)特性的無量綱修正系數(shù)，參考文獻(xiàn)2可以取1.32，為考慮風(fēng)洞試驗(yàn)誤差及設(shè)計(jì)施工中不確定因素的綜合安全系數(shù)，取為1.2。則三、 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析采用美國Ansys空間有限元?jiǎng)恿Ψ治龀绦?。主梁采?“單脊梁式”建立計(jì)算模型進(jìn)行動(dòng)力特性計(jì)算。成橋狀態(tài)的跨徑布置為180+101+ 45=326米，斜拉索數(shù)量為27×2對(duì)。根據(jù)設(shè)計(jì)院提供的資料，結(jié)構(gòu)的約束條件為：橋塔和主梁固結(jié)，其余橋墩和主梁約束豎向、側(cè)向以及繞橋軸扭轉(zhuǎn)等約束。另外橋塔在承臺(tái)以上固結(jié)。主橋主梁和橋塔截面特性見表1和表2。主橋立面布置圖、橋

5、梁布置圖以及主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面和邊跨壓重?cái)嗝娌贾脠D見圖14。表1 主梁截面特性表斷面位置Area(m2)Iyy(m4)Izz(m4)Jd(m4)大邊跨端截面24.196712.76353372.775013.95510號(hào)塊截面34.109116.36964553.905023.0681漸變段起始截面22.195712.38073095.21708.9564漸變段終端截面26.563120.32163369.39109.1605小邊跨端截面 28.963123.66993382.191081.5759表2 橋塔截面特性表斷面位置Area(m2)Iyy(m4)Izz(m4)Jd(m4)1(外柱)22.0

6、00055.916728.078367.15161(內(nèi)柱)26.000092.083333.412487.79752(外柱)11.817345.374819.251147.35222(內(nèi)柱)18.404084.959730.374478.47773(外柱)19.673055.426918.101649.35143(內(nèi)柱)26.000092.083333.412487.79504(外柱)19.800161.212742.253776.89254(內(nèi)柱)18.404084.959730.374478.47185(外柱)18.259758.364112.774938.12425(內(nèi)柱)25.0800

7、92.037532.979884.89436(外柱)10.949148.46309.093027.41696(內(nèi)柱)18.404084.959730.374478.48157(外柱)9.608331.60971.87636.33757(內(nèi)柱)18.979491.229731.641380.3353823.2725102.202351.6472119.8776919.769085.215638.130385.1501表3、表4分別列出了成橋結(jié)構(gòu)狀態(tài)動(dòng)力特性計(jì)算出的前15階振型及其相應(yīng)的頻率和對(duì)應(yīng)的廣義質(zhì)量。圖4和圖5分別為動(dòng)力特性分析結(jié)構(gòu)力學(xué)模型以及前15階動(dòng)力特性振型圖。綜合以上動(dòng)力特性計(jì)算分

8、析可以看出：成橋狀態(tài)時(shí)結(jié)構(gòu)的豎彎基頻為0.4041Hz，扭轉(zhuǎn)基頻為0.5806Hz，扭彎頻率比為1.4368，豎彎的等效質(zhì)量為109.65t/m，扭轉(zhuǎn)等效質(zhì)量為14220 t.m2/m。圖1 主橋立面布置圖圖2 主梁斷面尺寸圖圖2 主梁箱梁段斷面圖圖3 主梁漸變梁段斷面圖圖4 橋塔結(jié)構(gòu)布置圖表3 成橋狀態(tài)動(dòng)力特性表階數(shù)頻率(Hz)振型特點(diǎn)10.3704橋塔雙塔柱橫橋向反向振動(dòng)20.3708橋塔雙塔柱橫橋向同向振動(dòng)30.4041主梁豎彎振動(dòng)40.5806主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)50.7386主梁豎彎振動(dòng)60.8539主梁豎彎振動(dòng)70.9397主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)80.9956主梁豎彎振動(dòng)+橋塔縱向振動(dòng)91.0547

9、主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)101.2466大邊跨主梁豎彎振動(dòng)111.3547主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)121.4726主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)131.5961主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)141.6544主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)151.7278主梁邊跨豎彎振動(dòng)表4 成橋狀態(tài)主梁等效質(zhì)量表階數(shù)MX(T/M)MY(T/M)MZ(T/M)JX(T*M2/M)18.5148E+062.0667E+047.0738E+194.2199E+2227.2144E+202.0194E+181.7216E+077.4459E+0733.4370E+041.0965E+022.6931E+173.0509E+2043.2683E+202.4889E+176.7740E+061.42

10、00E+0452.1524E+031.1601E+026.3290E+177.9175E+2061.6522E+031.2159E+027.8583E+161.5475E+2076.5512E+175.4346E+173.3060E+061.4520E+0482.6719E+023.0026E+021.9151E+162.4919E+1992.3972E+181.3534E+181.7528E+051.2583E+04102.1821E+031.0657E+024.8618E+193.6292E+23115.7576E+184.9220E+172.0090E+051.3142E+04121.7

11、302E+191.3146E+181.0048E+061.8451E+04133.2089E+182.2565E+173.3494E+051.4166E+04141.2642E+197.6307E+176.9673E+041.2597E+04154.3125E+031.2520E+021.2718E+145.4861E+17圖5 惠州下東江大橋動(dòng)力特性分析力學(xué)模型圖6 惠州下東江大橋動(dòng)力特性分析前15階振型圖四、 靜力氣動(dòng)力數(shù)值計(jì)算 對(duì)于大橋主梁斷面，采用了離散渦數(shù)值風(fēng)洞技術(shù)(Random Vortex Method, RVM)進(jìn)行計(jì)算。主梁截面氣動(dòng)力系數(shù)定義如下： 阻力系數(shù)： 升力系數(shù)： 升

12、力矩系數(shù)：式中，為來流動(dòng)壓；和分別為空氣密度和來流速度；，分別為每延米阻力，升力，升力矩；B為主梁寬度；H為主梁高度。圖7分別為標(biāo)準(zhǔn)斷面流場顯示圖。圖8和圖9為三分力系數(shù)隨攻角變化圖。表5也列出了三分力隨攻角變化關(guān)系。圖7 主梁斷面成橋狀態(tài)00攻角流場(Re=105)（標(biāo)準(zhǔn)斷面） 圖8 主梁斷面成橋狀態(tài)三分力系數(shù)隨攻角的變化(體軸,Re=105)（標(biāo)準(zhǔn)斷面） 圖9 主梁斷面成橋狀態(tài)三分力系數(shù)隨攻角的變化(體軸,Re=105)（邊跨壓重部分）表5 主梁斷面三分力系數(shù)（體軸）（標(biāo)準(zhǔn)斷面）攻角(度)阻力系數(shù)升力系數(shù)升力矩系數(shù)-31.060-0.400-0.01301.140-0.1000.02031

13、.1800.1800.045五、 顫振穩(wěn)定性估算對(duì)于在未進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)之前，斜拉橋的顫振臨界風(fēng)速可以通過平板的理論風(fēng)速加以折減獲得。根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定，橋梁斷面的顫振臨界風(fēng)速為：式中 和分別表示考慮截面形狀和攻角效應(yīng)的折減系數(shù)，表示理論平板的顫振風(fēng)速為：式中，為橋梁和空氣的密度比，為半橋?qū)?，為空氣密度。?duì)于該橋下相應(yīng)平板風(fēng)速估算得到，考慮形狀修正系數(shù)0.4和攻角修正系數(shù)0.8，則該橋的顫振臨界風(fēng)速為，大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速60m/s的要求，因此該橋能夠滿足顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)要求。六、 風(fēng)荷載計(jì)算在初步設(shè)計(jì)階段，風(fēng)荷載的計(jì)算可以直接利用陣風(fēng)荷載進(jìn)行，在計(jì)算過程中將設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速乘以陣風(fēng)系數(shù)進(jìn)行計(jì)算

14、。陣風(fēng)系數(shù)的選取根據(jù)規(guī)范相應(yīng)于一類地表為1.38。另外，風(fēng)荷載的計(jì)算還考慮到順橋向和橫橋向兩種不同的工況。通過計(jì)算可以得到關(guān)鍵斷面內(nèi)力見表6和表8，及主要斷面位移見表7和表9，其中，關(guān)鍵斷面局部坐標(biāo)示意圖見圖20。表6、橫橋向風(fēng)荷載作用下主要斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果位置FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N*m)MZ(N*m)14.5122E+051.7463E+054.3168E+042.6059E+05-5.9860E+053.5808E+0729.5552E+051.0307E+061.2322E+055.7405E+052.5109E+06-3.1196E+0738.1029E+

15、05-7.4814E+05-1.0235E+05-4.6104E+051.6602E+06-2.7811E+0746.6356E+05-3.7235E+05-1.2963E+04-2.8609E+05-6.0959E+055.9136E+0653.6444E+05-7.8126E+04-2.7293E+043.2735E+047.2584E+051.2119E+0763.3255E+05-6.7227E+03-2.6002E+041.7544E+047.2584E+051.2385E+077-2.6237E+07-3.0706E+04-2.2491E+05-9.7411E+042.0081E+

16、061.4362E+0682.2783E+07-8.4840E+041.5145E+06-3.9990E+042.4141E+073.3933E+069-2.1178E+07-1.2315E+05-1.6480E+063.6925E+05-2.4836E+07-1.5536E+06102.6302E+077.6056E+032.0162E+052.1325E+05-2.1271E+06-1.2792E+06115.8420E+050.0000E+005.6994E+050.0000E+004.7583E+060.0000E+00126.5424E+040.0000E+006.2422E+050

17、.0000E+005.0808E+060.0000E+0013-4.5700E+050.0000E+005.6991E+050.0000E+004.7581E+060.0000E+00143.5080E+05-1.4785E+024.8750E+05-4.4050E+003.5816E+061.8289E+0315-1.0307E+04-6.7479E+015.2938E+057.7117E+023.8005E+066.6954E+0216-3.5189E+052.1533E+024.6015E+05-5.6698E+033.4350E+06-2.4984E+03171.9476E+050.0

18、000E+003.5713E+050.0000E+003.3219E+060.0000E+0018-9.0294E+040.0000E+003.5713E+050.0000E+003.3219E+060.0000E+00表7、橫橋向風(fēng)荷載作用下主要斷面位移計(jì)算結(jié)果斷面UX(m)UY(m)UZ(m)ROTX(rad)ROTY(rad)ROTZ(rad)1/4跨-0.00010.0089-0.0010-0.00010.00000.0001中跨0.00000.0082-0.0014-0.00010.0000-0.00013/4跨0.00010.0034-0.00110.00000.0000-0.00

19、01邊跨中點(diǎn)0.00020.0009-0.00060.00000.00000.0000上游塔柱0.00240.0012-0.2745-0.00430.00000.0000下游塔柱0.0035-0.0011-0.2737-0.00430.00000.0000表8、順橋向風(fēng)荷載作用下主要斷面內(nèi)力計(jì)算結(jié)果位置FX(N)FY(N)FZ(N)MX(N*m)MY(N*m)MZ(N*m)1-3.7088E+062.2796E-027.1815E+041.4823E-02-1.0080E+06-1.8548E+002-6.2231E+062.2796E-02-5.0124E+052.0461E-02-1.29

20、50E+07-3.9081E+0038.0769E+061.7426E-01-4.2878E+05-8.3202E-041.2885E+07-4.7190E+0046.7643E+061.7426E-01-1.2602E+03-1.0286E-023.0057E+06-1.4471E+0154.0644E+06-5.4892E-017.4458E+05-3.4731E-02-5.5594E+06-2.0906E+0163.7239E+06-5.4892E-016.3745E+05-2.5613E-02-5.5594E+06-2.0921E+0178.7959E+04-2.4399E+05-1.

21、0514E+043.0450E+06-5.4977E+042.7416E+0786.9169E+05-8.1668E+06-1.9240E+042.1097E+07-8.9905E+041.3904E+0896.9169E+058.1668E+06-1.9240E+04-2.1097E+07-8.9904E+04-1.3904E+08108.7959E+042.4399E+05-1.0514E+04-3.0450E+06-5.4976E+04-2.7416E+07117.5301E+04-1.3293E+052.0308E+012.8964E-081.2166E+021.3984E+06127

22、.7458E+04-1.3293E+05-8.1946E-032.1994E-10-7.2257E-021.3984E+06137.5301E+04-1.3293E+05-2.0322E+01-2.8887E-08-1.2179E+021.3984E+0614-1.2489E+05-1.2559E+05-3.3817E+01-2.3267E+00-1.7218E+021.1783E+0615-1.2880E+05-1.2559E+051.4922E+001.2699E-011.6742E+011.1783E+0616-1.2489E+05-1.2559E+053.1776E+01-1.4825E+001.7924E+021.1783E+0617-6.9928E+05-1.2431E+053.6159E-011.3524E-084.0484E+001.3173E+0618-6.9928E+05-1.2431E+053.6159E-011.1541E-084