山區(qū)峽谷大跨度鋼桁梁懸索橋顫振穩(wěn)定性及氣動(dòng)優(yōu)化

0試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果隨著中國《交通運(yùn)輸計(jì)劃的實(shí)施和西部開發(fā)的深化，通過中國西南山區(qū)的大轉(zhuǎn)折點(diǎn)，越來越多的橋梁必須通過深度峽谷。懸索橋是大多數(shù)橋梁的首選。山區(qū)峽谷地區(qū)的風(fēng)特征非常復(fù)雜。框架梁具有較大的抗彎能力和較高的透風(fēng)率，有利于在交通便利的峽谷地區(qū)運(yùn)輸和施工。因此，框架梁懸索橋被廣泛用于山區(qū)峽谷橋梁?？蚣芰盒D(zhuǎn)剛性強(qiáng)，通風(fēng)率高，但框架梁動(dòng)力梁的氣穩(wěn)定性低于鋼箱梁。大橋的氣安全是一種可靠有效的方式。在確定屋頂截面時(shí)，采用適當(dāng)?shù)耐L(fēng)優(yōu)化措施，提高橋梁的可靠性和實(shí)用性，是一種可靠有效的方式。本文以中國西南山區(qū)某框架梁懸索橋?yàn)楣こ瘫尘?，利用風(fēng)參數(shù)計(jì)算、結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特征的有限計(jì)算和節(jié)段模型的風(fēng)孔試驗(yàn)研究了該振動(dòng)的穩(wěn)定性，并對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了評(píng)估和優(yōu)化。1橋塔的間距和高度該橋?yàn)橐蛔鶈慰绾?jiǎn)支懸索公路橋,位于西南山區(qū)跨越深谷.橋梁主跨跨徑為538m,主纜中心距為28m,主纜矢跨比為1∶10,兩側(cè)橋塔不等高,高度分別為147m和63.35m,圖1為橋梁布置示意圖.主梁寬28m,由4.5m高的鋼桁架梁及鋪在其上的0.8m高的正交異性板組成,橋面板中央開槽寬度為0.5m,大橋主梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見圖2.2大橋橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的確定大橋位于山區(qū)且跨越深切峽谷,風(fēng)速特性受地形地貌影響較大,峽谷風(fēng)效應(yīng)比較顯著,因此該橋的設(shè)計(jì)風(fēng)速不能完全由文獻(xiàn)查得,還需要結(jié)合橋址周圍的風(fēng)速氣象資料,采用概率統(tǒng)計(jì)方法獲得.選取橋位200km范圍內(nèi)10個(gè)地區(qū),根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》得出其百年風(fēng)速,見表1,圖3給出了各地區(qū)氣象站點(diǎn)最大風(fēng)速隨海拔高度變化的情況,并擬合出風(fēng)速u-海拔高度h公式(1).大橋橋位處平均海拔高度為1780m,由式(1)可以得出橋位處100重現(xiàn)期的最大風(fēng)速為26.92m/s,即橋位處基本風(fēng)速.由于大橋位于山區(qū)深切峽谷,橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的確定還必須考慮山區(qū)峽谷地形對(duì)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的修正.對(duì)建于峽谷上口處的橋梁,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為式中:ud為橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速;u10為橋位處基本風(fēng)速;H為峽谷深度;B1為峽谷上口處寬度;B2為峽谷下底面寬度;κ為山谷效應(yīng)修正系數(shù).根據(jù)大橋設(shè)計(jì)參數(shù)可得大橋橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》,大橋0°和±3°風(fēng)攻角下的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為式中:Vcr為顫振檢驗(yàn)風(fēng)速;μf為風(fēng)速脈動(dòng)修正系數(shù),綜合考慮橋位所處D類地表及大橋跨徑538m,根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》取μf=1.38.計(jì)算可得顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn),在±5°風(fēng)攻角下,顫振檢驗(yàn)風(fēng)速相較于-3°~+3°風(fēng)攻角下顫振檢驗(yàn)風(fēng)速有一定折減,但山區(qū)風(fēng)特性特殊,目前無章可循,偏安全均取57.6m/s為0°,±3°和±5°攻角下的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速.3橋塔和橋墩有限元模型根據(jù)大橋設(shè)計(jì)資料,采用有限元分析軟件建立大橋成橋狀態(tài)三維模型,主梁采用單主梁魚刺梁模型,即從主梁?jiǎn)卧仙斐鰟偙叟c吊桿單元相連,主梁采用beam4單元,橋塔和橋墩均采用beam44單元,主纜和吊索均采用link8單元,主梁質(zhì)量慣性矩采用mass21單元.根據(jù)大橋?qū)嶋H情況對(duì)有限元模型施加約束條件,具體為:放松主梁順橋向自由度,主梁豎直方向和橫橋向自由度與橋塔主從變位,主梁在橋塔處魚刺剛臂上節(jié)點(diǎn)與橋塔橫梁點(diǎn)在豎直方向主從約束,即主梁的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)與橋塔橫梁主從變位,約束橋塔及橋墩底部所有自由度.通過有限元計(jì)算分析得出,大橋主要控制振型及頻率見表2,大橋有限元模型、第一階對(duì)稱豎向彎曲和第一階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)模態(tài)如圖4~6.4試驗(yàn)?zāi)Ｐ团c試驗(yàn)結(jié)果動(dòng)力試驗(yàn)節(jié)段模型縮尺比為1∶50,模型由8根拉伸彈簧懸掛在支架上,形成可豎向運(yùn)動(dòng)和繞模型軸線扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的二自由度系統(tǒng),懸掛支架裝置置于風(fēng)洞之外,從而避免了裝置對(duì)風(fēng)洞內(nèi)流場(chǎng)的干擾,更好的模擬了二維流場(chǎng),試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛻覓煲妶D7.表3列出了試驗(yàn)?zāi)Ｐ托枰c實(shí)橋擬合的彈性參數(shù)、慣性參數(shù)及阻尼參數(shù).模型主要試驗(yàn)參數(shù)列于表4.試驗(yàn)通過直接測(cè)量法測(cè)得節(jié)段模型在不同風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速,并由試驗(yàn)風(fēng)速與大橋?qū)嶋H風(fēng)速之比推算出實(shí)橋的顫振臨界風(fēng)速.大橋主梁在各風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速見表5.從試驗(yàn)結(jié)果可以看出:在0°,-3°和-5°風(fēng)攻角下,主梁顫振臨界風(fēng)速均大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,但在+3°和+5°攻角下,顫振臨界風(fēng)速低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,大橋存在失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn),有必要對(duì)主梁進(jìn)行氣動(dòng)性能優(yōu)化,以保證橋梁的氣動(dòng)安全.5主梁的氣外形優(yōu)化5.1試驗(yàn)結(jié)果分析為研究橋面中央開槽對(duì)顫振穩(wěn)定性的影響,分別設(shè)置透風(fēng)率為0,25%,50%和75%的格柵板封閉中央開槽,在顫振臨界風(fēng)速較低的+3°和+5°風(fēng)攻角條件下進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn),測(cè)試主梁顫振臨界風(fēng)速,設(shè)置不同透風(fēng)率格柵板后試驗(yàn)結(jié)果與原方案結(jié)果對(duì)比見圖8.從試驗(yàn)結(jié)果可見,格柵板透風(fēng)率從0到50%,顫振臨界風(fēng)速隨著格柵板透風(fēng)率的增加逐漸升高,但當(dāng)透風(fēng)率超過50%后,顫振臨界風(fēng)速反而隨著格柵板透風(fēng)率增加而降低,因此判斷格柵封槽板的最優(yōu)透風(fēng)率為50%.但在設(shè)置了格柵封槽板后,顫振臨界風(fēng)速仍低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,需要進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化.5.2中央上穩(wěn)定板參數(shù)中央穩(wěn)定板是一種桁架梁常用的氣動(dòng)優(yōu)化措施,在采用50%透風(fēng)率格柵板封閉橋面中央開槽的基礎(chǔ)上,分別設(shè)置中央上穩(wěn)定板和中央下穩(wěn)定板,中央上穩(wěn)定板和中央下穩(wěn)定板設(shè)置見圖9.考慮到橋梁外觀美學(xué)因素及設(shè)置中央穩(wěn)定板對(duì)大橋靜力風(fēng)荷載的影響,中央上穩(wěn)定板高度不宜超過橋面防撞欄桿高度.分別設(shè)置1/2欄桿高度和與欄桿等高的中央上穩(wěn)定板,研究測(cè)試大橋在+5°風(fēng)攻角下顫振臨界風(fēng)速,測(cè)試結(jié)果見圖10.測(cè)試結(jié)果表明,隨著中央上穩(wěn)定板高度的增加,大橋顫振臨界風(fēng)速得到提升,但由于中央上穩(wěn)定板高度限制,顫振臨界風(fēng)速提升幅度較小,顫振臨界風(fēng)速未達(dá)到顫振檢驗(yàn)風(fēng)速.5.3中央下穩(wěn)定板對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響中央下穩(wěn)定板設(shè)置于主桁架內(nèi)部,對(duì)橋梁外觀影響較小,故中央下穩(wěn)定板高度選擇較為靈活.分別設(shè)置高度為主梁高度1/9,1/7,1/5,1/4,1/3和1/2的中央下穩(wěn)定板,通過試驗(yàn)測(cè)得大橋在不同高度中央下穩(wěn)定板情況下的顫振臨界風(fēng)速,測(cè)試結(jié)果見圖11.由圖11看出,大橋顫振臨界風(fēng)速隨著中央下穩(wěn)定板高度的增加而明顯增加,但當(dāng)下穩(wěn)定板高度超過主梁高度1/3后,顫振臨界風(fēng)速不再隨著穩(wěn)定板高度增加而提高,即下穩(wěn)定板對(duì)大橋顫振臨界風(fēng)速的提升存在一個(gè)最優(yōu)高度.由于設(shè)置中央下穩(wěn)定板會(huì)增大大橋主梁斷面的靜力風(fēng)荷載系數(shù),故選取較為恰當(dāng)可靠且更具現(xiàn)實(shí)可行性的格柵封槽板與中央下穩(wěn)定板組合優(yōu)化措施,測(cè)試大橋主梁在不同風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速,其中格柵板透風(fēng)率為50%,下穩(wěn)定板高度為主梁高度1/5.主梁氣動(dòng)優(yōu)化后與優(yōu)化前大橋顫振臨界風(fēng)速測(cè)試結(jié)果對(duì)比見圖12.由試驗(yàn)結(jié)果可以看出,風(fēng)攻角由-5°增加到+5°,大橋顫振臨界風(fēng)速隨著風(fēng)攻角的增加而減小,格柵封槽板與中央下穩(wěn)定板同時(shí)設(shè)置可以有效提高大橋顫振臨界風(fēng)速.6中央下穩(wěn)定板中央下穩(wěn)定板高度對(duì)第三通插裝式大橋顫振臨界風(fēng)速的影響1)采用格柵板封閉橋面板中央開槽能提高中央開槽桁架梁懸索橋的顫振穩(wěn)定性.2)不同透風(fēng)率的格柵板對(duì)大橋顫振臨界風(fēng)速有不同程度提高,格柵板存在一個(gè)最優(yōu)透