三塔悬索桥施工阶段颤振临界风速分析

三塔悬索桥施工阶段颤振临界风速分析

桥梁振动是空气动力学的失稳现象。当气流流经非流线型断面的桥梁结构时会发生涡旋和流动分离,形成复杂的空气作用力。通常情况下,在低风速时,结构处于空气稳定状态,随着风速的增大,自激力与结构振动之间的相位差会发生改变,气流也就从耗散结构能量转变为向结构输入能量,至一定风速后结构状态就转变为动力不稳定状态。由稳定状态转变为不稳定状态的对应风速就称为颤振临界风速。在大跨度桥梁尤其是超大跨径桥梁的设计中,颤振往往是控制设计的重要因素。三塔悬索桥由于中间塔缺乏有效的纵向约束,其结构更加轻柔,因此必须对其做详细的空气动力稳定性分析。本文采用的多模态颤振的有限元分析方法是基于桥梁的三维有限元分析模型,采用Namini提出的PK-F数值计算方法分析桥梁在当前风速下的气动响应,依据振动的对数衰减率判别桥梁的气动响应状态,计算桥梁的颤振临界风速和颤振频率,并确定各模态的颤振参与程度。1结构体系设计泰州长江公路大桥位于江苏省境内长江中段,北接泰州市,南连镇江市和常州市。该桥是跨径布置为(390+1080+1080+390)m的两跨三塔悬索桥(见图1)。加劲梁采用封闭式流线型扁平钢箱梁,加劲梁设上斜腹板及下斜腹板构成导风嘴。钢箱梁节段标准长度为16m,中心线处梁高3.5m。主缆在设计成桥状态矢跨比为1/9,2根主缆横向间距为35.8m。索塔采用门式框架结构,两边为混凝土塔,中间为钢塔;边塔高178m,中塔高182.50m。2个边塔在顺桥向为单柱形结构,而中间桥塔在顺桥向则采用倒Y形结构,以增强纵向刚度。2三塔悬索桥不同时期空气动力学稳定性分析2.1实桥空气动力稳定性试验结果由节段模型风洞试验可知,实桥在正的风攻角情况下更容易导致气动失稳。本文采用三维空气动力稳定性分析程序,在-3°、0°及+3°初始风攻角下分析实桥成桥状态的空气动力稳定性。分析时,考虑结构前3阶模态的参与,模态的阻尼比为0.5%,桥面主梁的气动导数取该桥节段模型风洞试验结果。空气动力失稳的临界风速见表1。由表1可以看出,实桥的计算结果与试验结果非常吻合,说明所采用的分析方法的可靠性。该桥的空气动力失稳临界风速均大于颤振检验风速57.4m/s,因而该桥成桥阶段满足气动稳定性要求。2.2主梁拼装时颤振临界风速本文采用3种不同的主梁架设方案(见图2)对泰州长江公路大桥施工阶段的抗风稳定性进行分析。方案1是采用从两跨的跨中位置向两侧桥塔对称吊装,即跨中至桥塔施工。方案2是从中塔和两侧边塔开始向跨中位置对称吊装,即桥塔至跨中施工。方案3是将前两种方案结合,分别从3个桥塔和2个跨中处同时开始对称吊装,即桥塔跨中同时施工。主梁断面颤振导数采用成桥颤振导数,通过计算分析,得出3个方案各施工阶段及成桥状态在+3°、0°和-3°风攻角下3种施工方案的颤振失稳风速趋势图,见图3～6。由于该桥主梁拼装施工期小于3年,按规范要求若取重现期为10年,则施工阶段颤振检验风速值为52.4m/s。1)当采用方案1进行主梁拼装时,在0°风攻角作用下,随主梁的架设,结构的颤振临界风速呈现一种缓慢提高的态势,至拼装率达到70%时达到峰值,随后骤降,至拼装率达到90%时达到低谷,但颤振临界风速大于施工阶段颤振检验风速(52.4m/s)。在-3°风攻角作用下,当拼装率在10%以下及60%～70%之间时,颤振临界风速低于施工阶段颤振检验风速;而在拼装率20%和90%左右出现2次峰值。在+3°风攻角下,主梁拼装率在70%～80%附近时,颤振临界风速达到峰值。而在主梁架设0%～10%、30%～70%及拼装率在90%左右时出现3次低谷,这几个施工阶段颤振临界风速均低于施工阶段颤振检验风速,其中最低颤振临界风速值为41.2m/s。2)主梁拼装采用方案2时,在0°和-3°风攻角作用下,施工过程中颤振临界风速均大于施工过程的颤振检验风速,且呈现先降低后缓慢上升的一种弧形小凹型态势,特别是在0°风攻角作用下,当拼装率小于40%时,没有检测到颤振临界风速,这是由于结构的颤振风速较大所致,说明施工中抗风稳定性较好。在+3°风攻角作用下,除当主梁拼装率为30%～50%颤振临界风速低于施工阶段颤振检验风速外,其他阶段也高于施工阶段的颤振检验风速。3)采用方案3进行主梁拼装时,在0°和-3°风攻角作用下,施工过程中颤振临界风速均大于施工过程的颤振检验风速,且呈现一种先降低后缓慢上升的一种下凹弧形态势。特别是在0°风攻角作用下,当拼装率小于30%时,没有检测到颤振临界风速,这是由于结构的颤振临界风速较大所致,说明施工中抗风稳定性较好。在+3°风攻角作用下,除当主梁拼装率为30%～50%和拼装率大于80%时,结构的颤振风速略高于颤振检验风速之外,其他施工阶段颤振风速均低于颤振检验风速,此阶段结构的颤振稳定性较差。从最不利状态来分析,在+3°风攻角下该桥的空气动力稳定性最差。尽管每种方案施工过程中均存在不利的主梁架设阶段,但从方案对比来看,方案2具有较强的竞争性,方案3次之,方案1较差。3颤振临界风速采用三维非线性空气动力稳定性分析程序,分析了泰州长江公路大桥成桥状态结构的颤振临界风速,计算结果与该桥的节段模型风洞试验结果非常吻合,验证了所采用的分析方法的可靠性。在此基础上进一步求出大桥在3种不同的施工状态下结构的颤振临界风速,讨论了三塔悬索桥在不同的施工状态下的空气动力特性的变化规律,得出以下几点主要结论:1)大桥成桥状态颤振检验风速为57.4m/s,施工阶段颤振检验风速为52.4m/s;而在最不利风攻角作用下,即在+3°攻角下,大桥成桥阶段颤振临界风速为66m/s。可见,大桥成桥状态具有较好