超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性分析

超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性分析

自德國工程師迪格爾研究了第一個現(xiàn)代斜拉橋，自瑞典斯特羅姆斯特羅姆森特橋以來，斜拉橋已在1公里范圍內(nèi)獲得了突破，并以良好的著陸能力迅速發(fā)展。香港昂帆洲大橋和蘇通大橋分別以1118m和1088m的主枝段進行了斜拉橋1000米的破裂。俄羅斯的符拉斯基島大橋也于2012年7月完成。目前，世界橋梁項目進入了跨境聯(lián)島橋建設的新階段，斜拉橋的規(guī)模不斷擴大。目前，世界上許多斜拉橋已經(jīng)使用。例如，韓國計劃在東南部的馬斯山市和geo-je島社區(qū)項目中采用主跨1200米斜拉橋方案，以及主跨1400米斜拉橋方案。由日本聯(lián)合線的主跨1400米斜拉橋方案的剛性、抗風性、拉索橋的可更換性、施工簡單、無錨一座橋等優(yōu)勢。在國際大橋方案競爭中，斜拉橋方案比懸索橋好。斜拉橋已成為現(xiàn)代的主要道路斜拉橋斜拉橋的極端交叉研究還表明，1200米以下的地區(qū)還有很大的差距斜拉橋仍然具有競爭力。隨著斜拉橋跨徑的持續(xù)增大,結(jié)構(gòu)更加輕柔,結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度隨之降低,風作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題已成為影響和控制其設計的主要因素.結(jié)構(gòu)的抗風穩(wěn)定性包括靜力風荷載和動力風荷載作用下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性,前者主要指靜風扭轉(zhuǎn)發(fā)散或橫向屈曲失穩(wěn),而后者則主要指顫振穩(wěn)定性.迄今為止,對跨徑在千米及以下的斜拉橋開展了比較系統(tǒng)的抗風研究,但對于超千米以上更大跨徑斜拉橋的抗風性能研究則非常少.Nagai等對1400m主跨的鋼斜拉橋進行了設計和分析,并進行了不同主梁寬度和高度情況的空氣靜力和動力穩(wěn)定性的選型分析［４－５］.高金盛等對采用碳纖維索的1400m主跨斜拉橋進行了靜風作用下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析,從靜風穩(wěn)定性角度探討了碳纖維索在超大跨度斜拉橋中應用的可能性［６］.Kien等對主跨1200~1800m范圍內(nèi)的超大跨度斜拉橋進行了風作用下的靜力和動力穩(wěn)定性分析,探討了斜拉橋在超千米以上橋梁上應用的可能性及其極限跨徑［７］.孫斌開展了1400m主跨的自錨斜拉橋、部分地錨斜拉橋和協(xié)作體系橋的設計,并進行恒載和極限靜風荷載作用下的結(jié)構(gòu)分析和比較［８］.可以看出:前期研究著重從抗風性能角度分析和探討斜拉橋在超大跨度橋梁中應用的可能性,但對結(jié)構(gòu)設計參數(shù)對主跨超千米以上的超大跨度斜拉橋抗風穩(wěn)定性的影響研究則基本沒有涉及,因此不能很好地指導超大跨度斜拉橋的抗風設計.為此,筆者針對1400m主跨的超大跨度斜拉橋設計方案,采用大跨度橋梁三維非線性空氣靜力穩(wěn)定性分析程序,對其靜風穩(wěn)定性進行了分析,并與同等主跨的懸索橋進行了對比,從靜風性能角度探討了斜拉橋在超千米主跨橋梁中應用的合理性.在此基礎(chǔ)上,分別就主梁的高度和寬度、橋塔結(jié)構(gòu)型式、橋塔高跨比、邊主跨比、輔助墩設置、拉索錨固方式等結(jié)構(gòu)設計參數(shù)對超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性的影響進行了分析,指出了關(guān)鍵的設計參數(shù)及其合理取值,以期為超大跨度斜拉橋的抗風設計提供依據(jù).1斜拉索設置位置圖1為一主跨1400m的超大跨度斜拉橋設計方案［４］,橋跨布置為680m+1400m+680m,并在邊跨端部設置3個間距為100m的輔助墩以提高橋梁的整體剛度.橋塔采用橫橋向A形的鋼塔,塔高約327m,其中橋面以上部分高度約280m,橋塔高跨比為1/5.斜拉索在橋面主梁上的錨固間距為20m,在橋塔上的錨固間距為4m,共設置了4×34對斜拉索.橋面主梁采用寬35m和高3.5m的扁平狀流線型鋼箱梁,并在橋塔兩側(cè)各80m范圍內(nèi)對橋面主梁進行了截面加強.2斜拉橋大跨帶的空氣靜能力穩(wěn)定分析2.1主梁各方向位移采用大跨度橋梁三維非線性空氣靜力分析程序［９］,在-3°,0°,3°初始風攻角下,對設計方案橋進行了空氣靜力分析.分析時,設計方案橋簡化為空間桿系結(jié)構(gòu)有限元模型,橋面主梁采用脊骨梁計算模型,橋面主梁和橋塔采用空間梁單元模擬,斜拉索采用空間桿單元模擬,斜拉索與橋面主梁間采用剛臂單元模擬.主梁考慮靜力三分力的作用,由于設計方案橋主梁的高度、寬度和斷面形狀與泰州長江大橋的主梁斷面基本一致,因此分析時取用了泰州長江大橋主梁斷面的靜力三分力系數(shù)［１０］;拉索和橋塔則僅考慮阻力分量的作用,拉索的阻力系數(shù)取為0.8,橋塔的阻力系數(shù)取為2.0［１１］.各初始風攻角下主梁的豎向、橫向及扭轉(zhuǎn)最大位移隨風速增加的變化趨勢,如圖2所示.在各風攻角下,主梁的豎向和橫向最大位移均出現(xiàn)在跨中,而最大扭轉(zhuǎn)角則出現(xiàn)在距離跨中約360~200m處,并隨著風速的增大逐漸向跨中靠攏.在0°風攻角下,當風速較低時,主梁各方向的位移都較小,隨著風速的增加,主梁的各方向位移都呈現(xiàn)出非線性的增長趨勢.風速較低時,主梁向下?lián)锨?至風速100m/s時達到最大值;此后主梁開始上抬,當風速大于110m/s后,主梁跨中豎向位移加速增長,表明結(jié)構(gòu)開始喪失穩(wěn)定性.主梁橫向位移和扭轉(zhuǎn)角始終按非線性規(guī)律增長,大約在110m/s時出現(xiàn)拐點,此后急劇增大.因此,該橋的靜風失穩(wěn)表現(xiàn)為以主梁豎彎和扭轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)為主的空間彎扭耦合失穩(wěn)形態(tài),同時牽連著橫向彎曲變形,靜風失穩(wěn)臨界風速在110m/s左右.在-3°風攻角下,主梁向下?lián)锨冃?并沒有出現(xiàn)像0°風攻角時的位移方向改變情況.風速較低時,主梁各方向的位移都較小,且隨著風速的增加主梁的位移按非線性規(guī)律增長.當風速達到120m/s時,主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)位移變化曲線都出現(xiàn)拐點,此后兩者都迅速增大,結(jié)構(gòu)開始喪失穩(wěn)定性.主梁橫向位移增長則比較平穩(wěn),在風速130m/s后才急劇增大.因此,在-3°風攻角下,該橋靜風失穩(wěn)也主要表現(xiàn)為以主梁豎彎和扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)變形為主的空間彎扭耦合失穩(wěn)形態(tài),同時牽連著橫向彎曲變形,靜風失穩(wěn)臨界風速在120m/s左右.在+3°風攻角下,主梁始終向上撓曲變形,當風速小于80m/s時主梁各方向的位移基本按線性規(guī)律增長,此后主梁各方向的位移都呈現(xiàn)出明顯的非線性增長趨勢.主梁的豎向位移變化曲線在80m/s時出現(xiàn)拐點,而橫向和扭轉(zhuǎn)位移則始終沒有出現(xiàn)明顯的拐點.由此可見,在+3°風攻角下,該橋靜風失穩(wěn)形態(tài)主要以主梁豎彎為主,同時伴隨著橫向彎曲和扭轉(zhuǎn)變形,失穩(wěn)臨界風速在80m/s左右,是3個風攻角下最小的,由此說明該橋在+3°風攻角下最容易發(fā)生靜風失穩(wěn).為了將程序計算值與按規(guī)范計算的結(jié)果進行對比,在0°風攻角下,根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》(JTG/TD60-01—2004)計算得到該橋的靜風扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)風速估算值為132.2m/s,大于程序計算值(110m/s).產(chǎn)生差異的原因是規(guī)范估算公式?jīng)]有考慮靜風荷載隨結(jié)構(gòu)變形的非線性變化因素和結(jié)構(gòu)本身的幾何非線性影響,說明按照規(guī)范進行計算只能得到一個估算值,若要準確地評價結(jié)構(gòu)的靜風穩(wěn)定性,則必須采用三維非線性空氣靜力有限元分析程序進行計算.2.2結(jié)構(gòu)體系的穩(wěn)定性從動態(tài)角度圖像,引起了懸索橋和其他改革為了從靜風性能角度探討斜拉橋在主跨超千米橋梁中的適用性,對同等主跨的懸索橋-江陰長江大橋(主跨1385m)進行了空氣靜力穩(wěn)定性分析,分析時主梁靜力三分力系數(shù)取自該橋節(jié)段模型風洞試驗結(jié)果［１２］,各初始風攻角下主梁豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)最大位移隨風速增加的變化趨勢及其與斜拉橋的比較,如圖3所示.在0°風攻角下,當風速較低時,斜拉橋和懸索橋的各方向的位移都比較接近,當風速達到90m/s,懸索橋的豎向和扭轉(zhuǎn)位移突然急劇增大,結(jié)構(gòu)開始進入失穩(wěn)狀態(tài),此后兩者的結(jié)構(gòu)位移差值非常大.與斜拉橋相似,懸索橋的靜風失穩(wěn)形態(tài)也表現(xiàn)為以主梁豎彎和扭轉(zhuǎn)變形失穩(wěn)為主的空間彎扭耦合失穩(wěn)形態(tài),同時牽連著橫向彎曲變形.懸索橋的失穩(wěn)臨界風速在90m/s左右,而同等主跨的斜拉橋的失穩(wěn)臨界風速則在110m/s左右,可見在同等主跨情況下,斜拉橋的空氣靜力穩(wěn)定性比懸索橋更好.在-3°和+3°風攻角下,在相同風速條件下,斜拉橋的豎向和橫向位移以及扭轉(zhuǎn)角均比懸索橋小,而且風速越高,斜拉橋的各方向位移均明顯比懸索橋大大減小.由此,進一步說明了在同等主跨情況下,斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度比懸索橋大,從靜風性能角度而言在主跨超千米的超大跨度橋梁適宜采用斜拉橋結(jié)構(gòu)體系.3結(jié)構(gòu)參數(shù)對空氣靜力性能的影響為了全面地了解超大跨度斜拉橋的空氣靜力性能,在0°風攻角下,分別從主梁的高度和寬度、邊主跨比、橋塔高跨比、橋塔結(jié)構(gòu)形式、邊跨輔助墩以及斜拉索的錨固體系等斜拉橋主要設計參數(shù)著手,對超大跨度斜拉橋空氣靜力性能的影響進行了分析,并指出了關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)設計參數(shù)及其合理取值.3.1主梁高對空氣靜力穩(wěn)定性的影響主梁的高度是影響斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度的一個重要參數(shù).在設計方案橋基礎(chǔ)上,將主梁高度分別調(diào)整為3m和4m,設計了兩座對比方案橋,并進行了空氣靜力穩(wěn)定性分析,得到了如圖4所示不同主梁高度下主梁豎向、橫向以及扭轉(zhuǎn)最大位移隨風速增加的變化情況.可以看到:不同梁高情況下主梁的各向位移隨風速增加的變化曲線基本重合,說明主梁高度對該橋的空氣靜力穩(wěn)定性影響不大.但在相同風速條件下,梁高的增大可以減小主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)位移,并略微增大斜拉橋的靜風失穩(wěn)臨界風速.因此,增大梁高可以增強斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛度,并增強斜拉橋的靜風穩(wěn)定性,只是效果比較有限.3.2主梁寬度對空氣靜力穩(wěn)定性的影響橋面主梁寬度主要由設計交通流量確定,但它對結(jié)構(gòu)的抗風性能存在著影響.為探討主梁寬度對超大跨度斜拉橋靜風穩(wěn)定性的影響,在設計方案橋的基礎(chǔ)上,將主梁寬度分別調(diào)整為28m和32m設計了兩座對比方案橋,并進行了空氣靜力穩(wěn)定性分析,得出了如圖5所示的不同主梁寬度下主梁的最大豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)位移隨風速增加的變化情況.從圖5可以看出:主梁寬度對結(jié)構(gòu)豎向位移影響比較小,但對扭轉(zhuǎn)尤其是橫向位移影響非常顯著.在相同風速下,隨著梁寬的增加,結(jié)構(gòu)的各向位移都在減少,特別是橫向和扭轉(zhuǎn)位移,斜拉橋的靜風穩(wěn)定性因而增強.這是由于主梁的豎向剛度與梁寬成正比,而橫向剛度則與梁寬的三次方成正比,扭轉(zhuǎn)剛度基本與梁寬的平方成正比,隨著梁寬的增加,主梁各方向的結(jié)構(gòu)剛度尤其是橫向和扭轉(zhuǎn)剛度因而明顯增大,促使結(jié)構(gòu)的靜風穩(wěn)定性提高.因此,增加梁寬有利于提高斜拉橋的靜風穩(wěn)定性.3.3不同橋塔結(jié)構(gòu)下主梁靜風穩(wěn)定性的變化橋塔結(jié)構(gòu)型式主要是橫橋向的結(jié)構(gòu)布置型式對斜拉橋的橫橋向和扭轉(zhuǎn)剛度有著重要的影響.為了揭示橋塔結(jié)構(gòu)型式對超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性的影響,在設計方案橋基礎(chǔ)上,設計了橋塔橫橋向倒Y型的方案橋,并進行了空氣靜力穩(wěn)定性的分析,得到了不同橋塔結(jié)構(gòu)型式下主梁的最大豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)位移隨風速增加的變化情況,如圖6所示.與設計方案橋的A型橋塔相比,采用倒Y型橋塔后,結(jié)構(gòu)的豎向和扭轉(zhuǎn)位移都有所減小,橫向位移則基本一致,斜拉橋的靜風穩(wěn)定性因而有所增強.所以,從靜風穩(wěn)定性角度而言,倒Y型橋塔比A型橋塔更好.3.4橋塔高跨比對調(diào)整后的空氣靜力穩(wěn)定性的影響橋塔高度一般是從橋面以上算起,它與斜拉橋的主跨跨徑、拉索的索面型式、拉索間距和傾角有關(guān),對結(jié)構(gòu)的整體剛度有直接的影響.三跨斜拉橋的橋塔高跨比一般在1/4與1/7之間,多數(shù)接近于1/5.為了揭示橋塔高跨比對超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性的影響,在其余設計參數(shù)不變的情況下,設計了橋塔高跨比分別為1/6和1/4的兩座對比方案橋并進行了空氣靜力穩(wěn)定性分析,得到了如圖7所示的不同橋塔高度下主梁的最大豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)位移隨風速增加的變化情況.從圖7可以看出:橋塔高度對結(jié)構(gòu)的豎向和扭轉(zhuǎn)位移影響非常顯著,但對橫向位移影響很小.在相同風速下,結(jié)構(gòu)的豎向和扭轉(zhuǎn)位移隨著橋塔高跨比的增大而明顯減小,位移的突變點顯著延后,說明結(jié)構(gòu)的靜風穩(wěn)定性得到明顯的增強.因此,橋塔高跨比對斜拉橋的靜風穩(wěn)定性影響顯著,增加橋塔高度可以明顯提高斜拉橋的空氣靜力穩(wěn)定性.3.5空氣靜力穩(wěn)定性邊跨和主跨的跨徑比是影響斜拉橋全橋剛度的一個重要設計參數(shù),大跨度斜拉橋為了減少主跨跨中撓度并提高全橋的豎向剛度通常采用較小的邊主跨比,其比值一般在0.25到0.5之間.為了揭示邊主跨比對超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性的影響,在相同主跨情況下,分別對邊跨為408,544,680m(邊主跨比分別為0.29,0.39,0.49)的三種情況進行了空氣靜力穩(wěn)定性的分析,得到了如圖8所示的不同邊主跨比下主梁的最大豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)位移隨風速增加的變化情況.不同邊主跨比下結(jié)構(gòu)各方向的位移隨風速增加的變化曲線基本重合,說明了邊主跨比基本不影響斜拉橋的靜風穩(wěn)定性.但在相同風速條件下,隨著邊主跨比的減小,結(jié)構(gòu)的豎向和扭轉(zhuǎn)尤其是橫向位移都隨之減小,說明了小的邊主跨比可以提高結(jié)構(gòu)的整體剛度和靜風性能.總體而言,邊主跨比對斜拉橋的靜風穩(wěn)定性影響不明顯,但采用短邊跨對斜拉橋的靜風穩(wěn)定性有利.3.6邊跨輔助墩設置位置斜拉橋為了改善邊跨的受力、提高結(jié)構(gòu)體系的整體剛度以及施工安全性通常會在邊跨設置輔助墩.為了揭示邊跨輔助墩設置對超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性的影響,以下分別對輔助墩設置的數(shù)量和位置兩種情況進行了分析.3.6.1輔助墩設置對靜風穩(wěn)定性的影響為了揭示邊跨設置不同輔助墩數(shù)量對超大跨度斜拉橋空氣靜力穩(wěn)定性的影響,在設計方案橋的基礎(chǔ)上,逐步減少邊跨輔助墩的數(shù)量,分別對輔助墩設置個數(shù)為0個,1個和2個三種情況進行了分析,得出了不同輔助墩設置數(shù)量下主梁最大的豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)位移隨風速增加的變化情況,如圖9所示.輔助墩設置對豎向位移影響最大,其次是橫向位移,但對扭轉(zhuǎn)位移影響很小.與不設輔助墩情況相比,邊跨設置輔助墩后,靜風作用下結(jié)構(gòu)的豎向位移顯著減小,豎向位移的突變點延后,說明斜拉橋的靜風穩(wěn)定性得到進一步的增強.但是隨著輔助墩設置數(shù)量的增加,其起到的增強靜風穩(wěn)定性的作用卻隨之降低,邊跨只設置1個輔助墩和設置2個或3個輔助墩所起的作用基本一致.因此,輔助墩設置有利于提高斜拉橋的靜風穩(wěn)定性,但其設置數(shù)量還是要結(jié)合經(jīng)濟性和施工安全性等其它因素綜合確定.3.6.2輔助墩設置位置如上所述,從靜風穩(wěn)定性角度而言,斜拉橋邊跨只設置1個輔助墩是比較適宜的.為了揭示邊跨單個輔助墩設置位置對斜拉橋空氣靜風定性的影響,分別進行了輔助墩設置在距離邊跨錨固墩為100,200,300m三種情況的空氣靜力穩(wěn)定性分析,得到了主梁的最大豎向、橫向和扭轉(zhuǎn)位移隨風速增加的變化情況,如圖10所示.從圖10可以看出:輔助墩設置位置對豎向和扭轉(zhuǎn)位移有較大影響,但對橫向位移則基本沒有影響.隨著離開邊跨錨固墩距離的增大,結(jié)構(gòu)的豎向和扭轉(zhuǎn)位移會逐漸減小,靜風穩(wěn)定性逐步得到增強.但輔助墩的設置位置并不是距離錨固墩越遠越好,而是存在一個最優(yōu)的位置,如圖1