山区峡谷大跨度钢桁梁悬索桥颤振稳定性及气动优化

山区峡谷大跨度钢桁梁悬索桥颤振稳定性及气动优化

0试验设计及结果随着中国《交通运输计划的实施和西部开发的深化，通过中国西南山区的大转折点，越来越多的桥梁必须通过深度峡谷。悬索桥是大多数桥梁的首选。山区峡谷地区的风特征非常复杂。框架梁具有较大的抗弯能力和较高的透风率，有利于在交通便利的峡谷地区运输和施工。因此，框架梁悬索桥被广泛用于山区峡谷桥梁。框架梁旋转刚性强，通风率高，但框架梁动力梁的气稳定性低于钢箱梁。大桥的气安全是一种可靠有效的方式。在确定屋顶截面时，采用适当的通风优化措施，提高桥梁的可靠性和实用性，是一种可靠有效的方式。本文以中国西南山区某框架梁悬索桥为工程背景，利用风参数计算、结构动态特征的有限计算和节段模型的风孔试验研究了该振动的稳定性，并对试验结果进行了评估和优化。1桥塔的间距和高度该桥为一座单跨简支悬索公路桥,位于西南山区跨越深谷.桥梁主跨跨径为538m,主缆中心距为28m,主缆矢跨比为1∶10,两侧桥塔不等高,高度分别为147m和63.35m,图1为桥梁布置示意图.主梁宽28m,由4.5m高的钢桁架梁及铺在其上的0.8m高的正交异性板组成,桥面板中央开槽宽度为0.5m,大桥主梁标准横断面见图2.2大桥桥面高度处设计基准风速的确定大桥位于山区且跨越深切峡谷,风速特性受地形地貌影响较大,峡谷风效应比较显著,因此该桥的设计风速不能完全由文献查得,还需要结合桥址周围的风速气象资料,采用概率统计方法获得.选取桥位200km范围内10个地区,根据《公路桥梁抗风设计规范》得出其百年风速,见表1,图3给出了各地区气象站点最大风速随海拔高度变化的情况,并拟合出风速u-海拔高度h公式(1).大桥桥位处平均海拔高度为1780m,由式(1)可以得出桥位处100重现期的最大风速为26.92m/s,即桥位处基本风速.由于大桥位于山区深切峡谷,桥面高度处设计基准风速的确定还必须考虑山区峡谷地形对设计基准风速的修正.对建于峡谷上口处的桥梁,设计基准风速为式中:ud为桥面高度处设计基准风速;u10为桥位处基本风速;H为峡谷深度;B1为峡谷上口处宽度;B2为峡谷下底面宽度;κ为山谷效应修正系数.根据大桥设计参数可得大桥桥面高度处设计基准风速为根据《公路桥梁抗风设计规范》,大桥0°和±3°风攻角下的颤振检验风速为式中:Vcr为颤振检验风速;μf为风速脉动修正系数,综合考虑桥位所处D类地表及大桥跨径538m,根据《公路桥梁抗风设计规范》取μf=1.38.计算可得颤振检验风速为根据相关文献,在±5°风攻角下,颤振检验风速相较于-3°~+3°风攻角下颤振检验风速有一定折减,但山区风特性特殊,目前无章可循,偏安全均取57.6m/s为0°,±3°和±5°攻角下的颤振检验风速.3桥塔和桥墩有限元模型根据大桥设计资料,采用有限元分析软件建立大桥成桥状态三维模型,主梁采用单主梁鱼刺梁模型,即从主梁单元上伸出刚臂与吊杆单元相连,主梁采用beam4单元,桥塔和桥墩均采用beam44单元,主缆和吊索均采用link8单元,主梁质量惯性矩采用mass21单元.根据大桥实际情况对有限元模型施加约束条件,具体为:放松主梁顺桥向自由度,主梁竖直方向和横桥向自由度与桥塔主从变位,主梁在桥塔处鱼刺刚臂上节点与桥塔横梁点在竖直方向主从约束,即主梁的扭转运动与桥塔横梁主从变位,约束桥塔及桥墩底部所有自由度.通过有限元计算分析得出,大桥主要控制振型及频率见表2,大桥有限元模型、第一阶对称竖向弯曲和第一阶对称扭转模态如图4~6.4试验模型与试验结果动力试验节段模型缩尺比为1∶50,模型由8根拉伸弹簧悬挂在支架上,形成可竖向运动和绕模型轴线扭转运动的二自由度系统,悬挂支架装置置于风洞之外,从而避免了装置对风洞内流场的干扰,更好的模拟了二维流场,试验模型悬挂见图7.表3列出了试验模型需要与实桥拟合的弹性参数、惯性参数及阻尼参数.模型主要试验参数列于表4.试验通过直接测量法测得节段模型在不同风攻角下的颤振临界风速,并由试验风速与大桥实际风速之比推算出实桥的颤振临界风速.大桥主梁在各风攻角下的颤振临界风速见表5.从试验结果可以看出:在0°,-3°和-5°风攻角下,主梁颤振临界风速均大于颤振检验风速,但在+3°和+5°攻角下,颤振临界风速低于颤振检验风速,大桥存在失稳破坏的风险,有必要对主梁进行气动性能优化,以保证桥梁的气动安全.5主梁的气外形优化5.1试验结果分析为研究桥面中央开槽对颤振稳定性的影响,分别设置透风率为0,25%,50%和75%的格栅板封闭中央开槽,在颤振临界风速较低的+3°和+5°风攻角条件下进行风洞试验,测试主梁颤振临界风速,设置不同透风率格栅板后试验结果与原方案结果对比见图8.从试验结果可见,格栅板透风率从0到50%,颤振临界风速随着格栅板透风率的增加逐渐升高,但当透风率超过50%后,颤振临界风速反而随着格栅板透风率增加而降低,因此判断格栅封槽板的最优透风率为50%.但在设置了格栅封槽板后,颤振临界风速仍低于颤振检验风速,需要进行进一步的优化.5.2中央上稳定板参数中央稳定板是一种桁架梁常用的气动优化措施,在采用50%透风率格栅板封闭桥面中央开槽的基础上,分别设置中央上稳定板和中央下稳定板,中央上稳定板和中央下稳定板设置见图9.考虑到桥梁外观美学因素及设置中央稳定板对大桥静力风荷载的影响,中央上稳定板高度不宜超过桥面防撞栏杆高度.分别设置1/2栏杆高度和与栏杆等高的中央上稳定板,研究测试大桥在+5°风攻角下颤振临界风速,测试结果见图10.测试结果表明,随着中央上稳定板高度的增加,大桥颤振临界风速得到提升,但由于中央上稳定板高度限制,颤振临界风速提升幅度较小,颤振临界风速未达到颤振检验风速.5.3中央下稳定板对颤振临界风速的影响中央下稳定板设置于主桁架内部,对桥梁外观影响较小,故中央下稳定板高度选择较为灵活.分别设置高度为主梁高度1/9,1/7,1/5,1/4,1/3和1/2的中央下稳定板,通过试验测得大桥在不同高度中央下稳定板情况下的颤振临界风速,测试结果见图11.由图11看出,大桥颤振临界风速随着中央下稳定板高度的增加而明显增加,但当下稳定板高度超过主梁高度1/3后,颤振临界风速不再随着稳定板高度增加而提高,即下稳定板对大桥颤振临界风速的提升存在一个最优高度.由于设置中央下稳定板会增大大桥主梁断面的静力风荷载系数,故选取较为恰当可靠且更具现实可行性的格栅封槽板与中央下稳定板组合优化措施,测试大桥主梁在不同风攻角下的颤振临界风速,其中格栅板透风率为50%,下稳定板高度为主梁高度1/5.主梁气动优化后与优化前大桥颤振临界风速测试结果对比见图12.由试验结果可以看出,风攻角由-5°增加到+5°,大桥颤振临界风速随着风攻角的增加而减小,格栅封槽板与中央下稳定板同时设置可以有效提高大桥颤振临界风速.6中央下稳定板中央下稳定板高度对第三通插装式大桥颤振临界风速的影响1)采用格栅板封闭桥面板中央开槽能提高中央开槽桁架梁悬索桥的颤振稳定性.2)不同透风率的格栅板对大桥颤振临界风速有不同程度提高,格栅板存在一个最优透