红水河大桥的等效静风性能分析

红水河大桥的等效静风性能分析

1桥梁结构特点红水河大桥是一座大型的桥梁，具有很高的投资和在该地区交通网络中的重要性。如果发生风暴，振动会造成严重的破坏，该地区的交通网络会停止并会造成严重的损失。桥位所在区属于山区,风速较大,风环境复杂。桥梁采用双柱式桥塔和平行双索面,主桥所受风荷载较大并易在强风下发生不利振动。鉴于桥址风环境特点,主梁与桥梁结构特点等因素,对大桥开展抗风性能研究具有十分重要的工程价值红水河大桥位于贵州省罗甸县与广西省天峨县交界处,桥位处为“U”形峡谷,两岸地形坡度较陡。主桥采用双塔双索面混合式叠合梁斜拉桥方案。主塔处塔梁间采用纵向半漂浮体系,主塔、过渡墩和辅助墩处均设竖向活动球形支座。叠合梁主梁全宽27.7m,梁高3.18m,设有3道小纵梁。主桥桥跨组合为213m+508m+185m。桥型总体布置如图1所示。2风负荷分析参数2.1静阵风风速计算根据《公路桥梁抗风设计规范》根据规范第3.2.5条,从而得到100年重现期的设计基准风速为:其中,Z计算阵风风荷载时采用静阵风风速,根据规范第4.2.1条,静阵风风速为:其中,G2.2气动超高可以用数值风洞风荷载坐标系统示意图见图3。风轴上的阻力系数C其中,V计算成桥状态主梁断面-5°,-3°,0°,+3°,+5°攻角范围内气动三分力系数,如表1所示。成桥状态0°风攻角下,气动阻力系数为1.194,升力系数为-0.211,扭矩系数为0.015。2.3主梁气导数数值的模拟采用基于大涡模拟通过对成桥状态主梁断面进行+3°风攻角下的数值模拟,可以得到气动导数曲线如图4,图5所示。3风负荷响应分析3.1有限元模型分析结果为了进行风荷载作用下的结构动力响应分析,必须首先计算成桥状态的结构动力特性。成桥状态的动力特性分析采用三梁式有限元模型,见图6,动力特性分析结果见表2。可知影响大桥的两个主要振型为正对称竖弯与正对称扭转振型,这两个振型的频率分别为0.3618Hz与0.6287Hz,扭弯频率比为1.74,对应的等效质量与等效质量惯性矩分别为31.6t/m与2740t·m3.2静风荷载计算等效静阵风荷载为根据等效阵风算出的风荷载。在横桥向风作用下,作用于主梁单位长度上的静阵风荷载分别为:其中,C在顺桥向风作用下,主梁单位长度上的风荷载按照风和主梁上下表面之间产生的摩擦力计算:其中,c在横桥向风作用下,作用于斜拉索单位长度上的静风荷载为:其中,C在顺桥向风作用下,作用于斜拉索单位长度上的静风荷载为:其中,C红水河大桥成桥状态风荷载计算关键截面及坐标系方向见图7,等效静阵风荷载作用下关键截面的位移及内力计算结果如表3,表4所示。得到成桥状态竖向位移最大值为10.6cm,为中跨跨中处;侧向位移最大值为-6.63cm,为左侧塔顶处。表3中,D表4中,截面位置与图7中编号的对应关系如下:左塔顶-1,右塔顶-3,中跨跨中-17,中跨左四分点-18,中跨右四分点-19,左塔脚1-13,左塔脚2-14,右塔脚1-15,右塔脚2-16。3.3测能结构参数的选取为确定横桥向风作用下桥梁的动力风荷载,按抖振反应谱理论进行主梁抖振分析。首先分析单个模态的抖振根方差响应,然后将各阶模态的抖振响应组合得到总的抖振根方差响应和抖振惯性力考虑到低阶模态对抖振响应的贡献占主要成分,各状态计算抖振响应时所选取的参与模态如表5所示。通过计算,可以得到成桥状态下在抖振风荷载作用下关键截面的位移及内力,见表6,表7。得到成桥状态竖向位移极大值为-11.9cm,为中跨跨中处;侧向位移极大值为0.377cm,为中跨跨中处。3.4组合方法选取作用在桥梁上的设计风荷载由设计基准风速下的等效静阵风荷载和结构惯性动力风荷载叠加而成。对等效静阵风荷载和抖振力进行组合,可以得到设计基准风速下结构的风荷载内力极大值和极小值。其中组合方法为:组合Ⅰ为:风载极大值内力和位移=等效静阵风荷载内力和位移+抖振风荷载内力和位移;组合Ⅱ为:风载极小值内力和位移=等效静阵风荷载内力和位移-抖振风荷载内力和位移。这两个组合出的结果再与其他荷载进行组合。根据该组合方法,可以得到成桥状态设计基准风速下结构关键断面的位移、内力极大值和极小值,如表8~表10所示。通过风荷载分析,得到成桥状态竖向位移极大值为1.34cm,极小值为-22.5cm,均为中跨跨中处;侧向位移极大值为-6.59cm,极小值为-6.67cm,均为左侧塔顶。4设计基本风速通过对红水河大桥主桥的成桥状态进行的抗风性能数值模拟研究,得到以下结论:1)红水河大桥的基本风速取为24.4m/s;对应的成桥状态设计基准风速为29.