三塔懸索橋施工階段顫振臨界風(fēng)速分析

三塔懸索橋施工階段顫振臨界風(fēng)速分析

橋梁振動(dòng)是空氣動(dòng)力學(xué)的失穩(wěn)現(xiàn)象。當(dāng)氣流流經(jīng)非流線型斷面的橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)發(fā)生渦旋和流動(dòng)分離,形成復(fù)雜的空氣作用力。通常情況下,在低風(fēng)速時(shí),結(jié)構(gòu)處于空氣穩(wěn)定狀態(tài),隨著風(fēng)速的增大,自激力與結(jié)構(gòu)振動(dòng)之間的相位差會(huì)發(fā)生改變,氣流也就從耗散結(jié)構(gòu)能量轉(zhuǎn)變?yōu)橄蚪Y(jié)構(gòu)輸入能量,至一定風(fēng)速后結(jié)構(gòu)狀態(tài)就轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)力不穩(wěn)定狀態(tài)。由穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定狀態(tài)的對(duì)應(yīng)風(fēng)速就稱為顫振臨界風(fēng)速。在大跨度橋梁尤其是超大跨徑橋梁的設(shè)計(jì)中,顫振往往是控制設(shè)計(jì)的重要因素。三塔懸索橋由于中間塔缺乏有效的縱向約束,其結(jié)構(gòu)更加輕柔,因此必須對(duì)其做詳細(xì)的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性分析。本文采用的多模態(tài)顫振的有限元分析方法是基于橋梁的三維有限元分析模型,采用Namini提出的PK-F數(shù)值計(jì)算方法分析橋梁在當(dāng)前風(fēng)速下的氣動(dòng)響應(yīng),依據(jù)振動(dòng)的對(duì)數(shù)衰減率判別橋梁的氣動(dòng)響應(yīng)狀態(tài),計(jì)算橋梁的顫振臨界風(fēng)速和顫振頻率,并確定各模態(tài)的顫振參與程度。1結(jié)構(gòu)體系設(shè)計(jì)泰州長(zhǎng)江公路大橋位于江蘇省境內(nèi)長(zhǎng)江中段,北接泰州市,南連鎮(zhèn)江市和常州市。該橋是跨徑布置為(390+1080+1080+390)m的兩跨三塔懸索橋(見(jiàn)圖1)。加勁梁采用封閉式流線型扁平鋼箱梁,加勁梁設(shè)上斜腹板及下斜腹板構(gòu)成導(dǎo)風(fēng)嘴。鋼箱梁節(jié)段標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度為16m,中心線處梁高3.5m。主纜在設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)矢跨比為1/9,2根主纜橫向間距為35.8m。索塔采用門(mén)式框架結(jié)構(gòu),兩邊為混凝土塔,中間為鋼塔;邊塔高178m,中塔高182.50m。2個(gè)邊塔在順橋向?yàn)閱沃谓Y(jié)構(gòu),而中間橋塔在順橋向則采用倒Y形結(jié)構(gòu),以增強(qiáng)縱向剛度。2三塔懸索橋不同時(shí)期空氣動(dòng)力學(xué)穩(wěn)定性分析2.1實(shí)橋空氣動(dòng)力穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果由節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)可知,實(shí)橋在正的風(fēng)攻角情況下更容易導(dǎo)致氣動(dòng)失穩(wěn)。本文采用三維空氣動(dòng)力穩(wěn)定性分析程序,在-3°、0°及+3°初始風(fēng)攻角下分析實(shí)橋成橋狀態(tài)的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性。分析時(shí),考慮結(jié)構(gòu)前3階模態(tài)的參與,模態(tài)的阻尼比為0.5%,橋面主梁的氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)取該橋節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果。空氣動(dòng)力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速見(jiàn)表1。由表1可以看出,實(shí)橋的計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常吻合,說(shuō)明所采用的分析方法的可靠性。該橋的空氣動(dòng)力失穩(wěn)臨界風(fēng)速均大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速57.4m/s,因而該橋成橋階段滿足氣動(dòng)穩(wěn)定性要求。2.2主梁拼裝時(shí)顫振臨界風(fēng)速本文采用3種不同的主梁架設(shè)方案(見(jiàn)圖2)對(duì)泰州長(zhǎng)江公路大橋施工階段的抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行分析。方案1是采用從兩跨的跨中位置向兩側(cè)橋塔對(duì)稱吊裝,即跨中至橋塔施工。方案2是從中塔和兩側(cè)邊塔開(kāi)始向跨中位置對(duì)稱吊裝,即橋塔至跨中施工。方案3是將前兩種方案結(jié)合,分別從3個(gè)橋塔和2個(gè)跨中處同時(shí)開(kāi)始對(duì)稱吊裝,即橋塔跨中同時(shí)施工。主梁斷面顫振導(dǎo)數(shù)采用成橋顫振導(dǎo)數(shù),通過(guò)計(jì)算分析,得出3個(gè)方案各施工階段及成橋狀態(tài)在+3°、0°和-3°風(fēng)攻角下3種施工方案的顫振失穩(wěn)風(fēng)速趨勢(shì)圖,見(jiàn)圖3～6。由于該橋主梁拼裝施工期小于3年,按規(guī)范要求若取重現(xiàn)期為10年,則施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速值為52.4m/s。1)當(dāng)采用方案1進(jìn)行主梁拼裝時(shí),在0°風(fēng)攻角作用下,隨主梁的架設(shè),結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速呈現(xiàn)一種緩慢提高的態(tài)勢(shì),至拼裝率達(dá)到70%時(shí)達(dá)到峰值,隨后驟降,至拼裝率達(dá)到90%時(shí)達(dá)到低谷,但顫振臨界風(fēng)速大于施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速(52.4m/s)。在-3°風(fēng)攻角作用下,當(dāng)拼裝率在10%以下及60%～70%之間時(shí),顫振臨界風(fēng)速低于施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速;而在拼裝率20%和90%左右出現(xiàn)2次峰值。在+3°風(fēng)攻角下,主梁拼裝率在70%～80%附近時(shí),顫振臨界風(fēng)速達(dá)到峰值。而在主梁架設(shè)0%～10%、30%～70%及拼裝率在90%左右時(shí)出現(xiàn)3次低谷,這幾個(gè)施工階段顫振臨界風(fēng)速均低于施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,其中最低顫振臨界風(fēng)速值為41.2m/s。2)主梁拼裝采用方案2時(shí),在0°和-3°風(fēng)攻角作用下,施工過(guò)程中顫振臨界風(fēng)速均大于施工過(guò)程的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,且呈現(xiàn)先降低后緩慢上升的一種弧形小凹型態(tài)勢(shì),特別是在0°風(fēng)攻角作用下,當(dāng)拼裝率小于40%時(shí),沒(méi)有檢測(cè)到顫振臨界風(fēng)速,這是由于結(jié)構(gòu)的顫振風(fēng)速較大所致,說(shuō)明施工中抗風(fēng)穩(wěn)定性較好。在+3°風(fēng)攻角作用下,除當(dāng)主梁拼裝率為30%～50%顫振臨界風(fēng)速低于施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速外,其他階段也高于施工階段的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。3)采用方案3進(jìn)行主梁拼裝時(shí),在0°和-3°風(fēng)攻角作用下,施工過(guò)程中顫振臨界風(fēng)速均大于施工過(guò)程的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,且呈現(xiàn)一種先降低后緩慢上升的一種下凹弧形態(tài)勢(shì)。特別是在0°風(fēng)攻角作用下,當(dāng)拼裝率小于30%時(shí),沒(méi)有檢測(cè)到顫振臨界風(fēng)速,這是由于結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速較大所致,說(shuō)明施工中抗風(fēng)穩(wěn)定性較好。在+3°風(fēng)攻角作用下,除當(dāng)主梁拼裝率為30%～50%和拼裝率大于80%時(shí),結(jié)構(gòu)的顫振風(fēng)速略高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速之外,其他施工階段顫振風(fēng)速均低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,此階段結(jié)構(gòu)的顫振穩(wěn)定性較差。從最不利狀態(tài)來(lái)分析,在+3°風(fēng)攻角下該橋的空氣動(dòng)力穩(wěn)定性最差。盡管每種方案施工過(guò)程中均存在不利的主梁架設(shè)階段,但從方案對(duì)比來(lái)看,方案2具有較強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)性,方案3次之,方案1較差。3顫振臨界風(fēng)速采用三維非線性空氣動(dòng)力穩(wěn)定性分析程序,分析了泰州長(zhǎng)江公路大橋成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速,計(jì)算結(jié)果與該橋的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果非常吻合,驗(yàn)證了所采用的分析方法的可靠性。在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步求出大橋在3種不同的施工狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速,討論了三塔懸索橋在不同的施工狀態(tài)下的空氣動(dòng)力特性的變化規(guī)律,得出以下幾點(diǎn)主要結(jié)論:1)大橋成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為57.4m/s,施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為52.4m/s;而在最不利風(fēng)攻角作用下,即在+3°攻角下,大橋成橋階段顫振臨界風(fēng)速為66m/s?？梢?jiàn),大橋成橋狀態(tài)具有較好