謝 佳 利

(四川省機(jī)場(chǎng)集團(tuán)有限公司，四川 成都 610202)

1 概述

橋梁抗風(fēng)性能研究是橋梁建設(shè)中的難題。結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能受到結(jié)構(gòu)幾何外形、結(jié)構(gòu)的剛度、阻力大小、扭彎頻率比、密度等的影響[1]。大跨度橋梁截面形式多樣，采用較多的是流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁。其截面形狀和尺寸直接影響了氣動(dòng)力參數(shù)，進(jìn)而影響橋梁抗風(fēng)性能。本文主要從結(jié)構(gòu)的幾何形狀入手，探討流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁這兩種常用截面在抗風(fēng)性能上的不同表現(xiàn)，主要涉及靜風(fēng)荷載及顫振穩(wěn)定性兩大抗風(fēng)問(wèn)題。

以某特大跨海橋梁作為算例模型，為跨度組合378 m+1 408 m+378 m的地錨式斜拉—懸索協(xié)作體系，斜拉—懸索協(xié)作體系橋具有超大跨越能力，融合了懸索橋柔性纜索體系和斜拉橋拉索體系的特點(diǎn)，目前國(guó)內(nèi)有學(xué)者就此類橋梁結(jié)構(gòu)的基本力學(xué)性能進(jìn)行過(guò)分析研究[2]，但尚無(wú)斜拉—懸索協(xié)作體系橋梁的抗風(fēng)性能研究。

本文運(yùn)用ANSYS軟件進(jìn)行數(shù)值分析，ANSYS是美國(guó)ANSYS公司研制的融合結(jié)構(gòu)、流體、電場(chǎng)、磁場(chǎng)、聲場(chǎng)分析于一體的大型通用有限元分析軟件。ANSYS可簡(jiǎn)化復(fù)雜流體力學(xué)工程問(wèn)題，可通過(guò)實(shí)體建模、網(wǎng)格劃分、荷載施加及強(qiáng)大的后處理簡(jiǎn)化復(fù)雜流體動(dòng)力學(xué)工程問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)非線性分析、動(dòng)力分析、熱分析等。

根據(jù)算例模型建立有限元模型(見(jiàn)圖1)，分別賦予流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁，截面形式如圖2，圖3所示，截面參數(shù)見(jiàn)表1。兩種截面的高寬比比例相近，分析中賦予兩種截面形式相同的寬度，對(duì)截面尺寸進(jìn)行等比例放大或縮小。對(duì)比其不同風(fēng)速下關(guān)鍵點(diǎn)風(fēng)致內(nèi)力和跨中撓度的變化曲線，以及兩種截面形式下的顫振臨界風(fēng)速，對(duì)兩種截面形式在大跨度橋梁抗風(fēng)性能上的不同表現(xiàn)作出基本評(píng)價(jià)。

表1 流線型閉合式箱梁和分離式雙箱梁截面參數(shù)

箱梁類型截面寬度B/m截面高度H/m豎向?qū)ΨQ彎曲基頻fb/Hz對(duì)稱扭轉(zhuǎn)基頻ft/Hz流線型閉合式鋼箱梁57.460.202 40.285 6分離式雙箱梁363.510.217 60.308 3

2 風(fēng)致內(nèi)力對(duì)比分析

風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的靜力作用是衡量結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能基本面，風(fēng)軸坐標(biāo)系下，橋梁斷面的靜風(fēng)荷載一般由無(wú)量綱的三分力系數(shù)來(lái)表征[3]，分別為:

阻力系數(shù):

(1)

升力系數(shù):

(2)

扭矩系數(shù):

(3)

本文選取橋梁在0°攻角下三分力系數(shù)進(jìn)行風(fēng)致內(nèi)力計(jì)算，利用Fluent軟件計(jì)算截面三分力系數(shù)，流線型閉合式箱梁的三分力系數(shù)，其中，0°攻角下的三分力系數(shù)分別為：CD=0.276，CL=-0.438，CM=-0.012；分離式雙箱梁的三分力系數(shù)為：CD=0.820 7，CL=-0.011 1，CM=-0.015 7。將數(shù)據(jù)導(dǎo)入ANSYS建立有限元模型對(duì)比分析，得到在不同風(fēng)速下橋梁關(guān)鍵點(diǎn)(塔底、支座、中跨1/8、中跨1/4、中跨3/8、跨中)內(nèi)力及跨中撓度的變化趨勢(shì)，如圖4～圖9所示。

內(nèi)力分析數(shù)據(jù)對(duì)比顯示，從水平分力隨風(fēng)速增長(zhǎng)呈非線性增大，除支座處以外，其余部位分離式雙箱梁水平分力大于流線型鋼箱梁，豎向分力兩者差別不大，隨風(fēng)速均略有增長(zhǎng)，扭矩均隨風(fēng)速呈非線性增長(zhǎng)，分離式雙箱梁均大于流線型鋼箱梁。所選取的部位上，均以扭矩起主導(dǎo)作用。對(duì)于跨中最大撓度，在低風(fēng)速下，兩者相差不大，隨著風(fēng)速的增加，閉合式鋼箱梁截面產(chǎn)生的最大撓度增加速度更快，見(jiàn)圖10，圖11。

以豎向分力、水平分力、扭矩、跨中撓度四個(gè)參數(shù)對(duì)比，閉合式箱梁截面僅跨中撓度參數(shù)上劣于分離式雙箱梁，且在高風(fēng)速下，對(duì)應(yīng)撓度數(shù)值均在可接受范圍內(nèi)，其余三個(gè)參數(shù)均表現(xiàn)更優(yōu)，所以，對(duì)于大跨懸索橋，在風(fēng)致內(nèi)力上流線型鋼箱梁截面的表現(xiàn)更加優(yōu)越。

3 顫振

顫振是由彈性力、慣性力、阻尼力及自激氣動(dòng)力相互作用形成的一種氣動(dòng)彈性失穩(wěn)現(xiàn)象[4]。在大跨度橋梁中顫振穩(wěn)定性的評(píng)估成為抗風(fēng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，顫振穩(wěn)定性主要通過(guò)確定結(jié)構(gòu)的顫振臨界風(fēng)速來(lái)衡量。

在二維均勻流中橋面主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的自激氣動(dòng)力包括升力L和扭矩M，通常采用scanlan[5]提出的自激氣動(dòng)力計(jì)算表達(dá)式，即：

(4)

(5)

流線型扁平閉合式箱梁是彎扭耦合較為嚴(yán)重的耦合顫振，與理想薄板非常相似，圖12是筆者采用二維單自由度強(qiáng)迫振動(dòng)法運(yùn)用FLUENT模擬風(fēng)場(chǎng)并結(jié)合MATLAB計(jì)算得到的流線型閉合式箱梁顫振導(dǎo)數(shù)[6]，詳細(xì)計(jì)算公式參見(jiàn)文獻(xiàn)[6]；發(fā)生于分離式雙箱梁的是豎向自由度參與較少的扭轉(zhuǎn)形態(tài)顫振，風(fēng)場(chǎng)模擬不能有效反映結(jié)構(gòu)與風(fēng)場(chǎng)之間的復(fù)雜作用，計(jì)算結(jié)果與風(fēng)洞測(cè)試值出入很大，風(fēng)洞試驗(yàn)得到的顫振導(dǎo)數(shù)如圖13所示。

流線型閉合式箱梁計(jì)算模型的縮尺比例為1∶100，設(shè)計(jì)阻尼比取0.3%，運(yùn)用狀態(tài)空間法計(jì)算[7]在計(jì)算模型下得到的顫振臨界風(fēng)速為：Uf=73.36 m/s。采用分離式雙箱梁截面的顫振導(dǎo)數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在相同跨徑和相同結(jié)構(gòu)下得到顫振臨界風(fēng)速為：Uf=77.19 m/s。

從顫振穩(wěn)定性分析可以看出，分離式雙箱梁截面形式下的顫振臨界風(fēng)速更高，表明在顫振穩(wěn)定性上分離式雙箱梁表現(xiàn)更優(yōu)越。

4 結(jié)語(yǔ)

從以上計(jì)算結(jié)果可知，兩種截面形式各有優(yōu)勢(shì)，流線型閉合式箱梁產(chǎn)生的靜風(fēng)荷載較小，在大跨度橋梁中可以有效控制截面內(nèi)力；分離式雙箱梁顫振穩(wěn)定性較好，有效控制了大跨度橋梁的臨界發(fā)散風(fēng)速。在截面選擇中，對(duì)于荷載較大的特大橋梁，如鐵路貨運(yùn)橋梁，應(yīng)優(yōu)先考慮采用流線型閉合式箱梁截面來(lái)控制截面最大內(nèi)力；對(duì)于地處風(fēng)環(huán)境惡劣地區(qū)的特大橋梁，應(yīng)優(yōu)先考慮采用分離式雙箱梁截面提高氣動(dòng)穩(wěn)定性。斜拉—懸索協(xié)作體系提升了橋梁的跨越能力，研究可看出截面形式的選擇顯著影響橋梁抗風(fēng)性能，后續(xù)研究中可增加截面形態(tài)，對(duì)截面形式進(jìn)行更詳細(xì)的抗風(fēng)性能參數(shù)化對(duì)比分析，為尋求最優(yōu)截面形式匹配方案提供依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1] 何晗欣.橋梁抗震與抗風(fēng)及其影響因素分析研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)博士論文，2011.

[2] 韓立中.大跨度自錨式斜拉懸索橋分析方法與性能研究[D].大連：大連理工大學(xué)博士論文，2009.

[3] 陳政清.橋梁風(fēng)工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] M. Matsumoto.Frequency characteristics in various flutter instabilities of bridge girders[J]. Wind Eng. Ind. Aerodyn,2002(90):1973-1980.

[5] E. Simiu, R. H. Scanlan.Wind Effects on Structures-An Introduction to Wind Engineering[M].Third Edition,1996.

[6] 龐 偉.基于FLUENT軟件大跨度橋梁顫振導(dǎo)數(shù)識(shí)別[D].成都：西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，2007.

[7] 陳國(guó)芳.大跨度橋梁顫抖振分析[D].大連：大連理工大學(xué)土木工程學(xué)院，2011.