大跨径三塔悬索桥抗风性能分析

桥的设计方案, 两主跨均为 1 080 m(图 1), 桥面为 6车 道, 矢跨比为 1/ 9, 2根主缆横向间距为 3518m, 加劲梁 采用封闭式流线型扁平钢箱梁。中塔为变截面钢塔, 横 桥向为门式框架结构, 纵桥向为人字形。中塔基础采用 沉井基础, 边塔基础采用变截面群桩基础。
随着经济的发展, 需要在更宽的河流上建造桥梁, 多跨悬索桥因其卓越的跨越能力应时而生, 1936年建 成的美国旧金山 ) 奥克兰海湾大桥即由 2 座主跨 705 m 的 悬索 桥相 互 衔接 而 成 。日 本 的 津 轻 海 峡 大桥 、我 国的青岛海湾大桥等也研究过多跨悬索桥方案。泰州 大桥的初步设计主桥为大跨径三塔两跨悬索桥方案, 由于三塔悬索桥结构轻柔, 整体结构刚度较低, 为了保 证工程的抗风稳定性, 对其抗风性能进行全面的研究 十分必要。根据桥位处的风场特征探讨了泰州大桥设 计风速的取值, 并对它的静力抗风稳定性、设计风速下 的颤振稳定性、涡激共振稳定性进行了研究。
( 3)填料中无明显不利于路基稳定的材料, 对水 也有足够稳定性;
( 4)经过压实后, 填层可得到较高的压实密度, 经 过长期摆放和雨水浸泡后, 没有明显松弛反弹行为, 填
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料能够长期稳定; ( 5)填料碾压后在夯实表面细颗粒聚集, 表 面对
3 主梁一阶正对称侧弯 3 01095 8 1 01048 9 1 01050 9 1 01072 4 主梁一阶正对称竖弯 5 01156 6 4 01124 1 4 01134 4 4 01150
5 主梁一阶反对称扭转 19 01284 9 19 01269 8 16 01274 7
01 3 40
桥, 但与润扬 大桥和江阴大桥相近, 因此在一定情 形
下, 泰州大桥的动力性能更接近于具有更长跨度悬索 桥的性能。
313 静力稳定性分析
为了评估泰州大桥在低于颤振临界风速下是否会 发生静力失稳, 计算了泰州大桥的静力扭转发散临界 风速, 5公路桥梁抗风设计规范 6给出的悬索桥的扭转 发散临界风速公式为
r b
=
1 b
mIm, Im 为桥面
系及主缆单位长度质量惯矩, 为 5 104 670 kg# m2 /m;
C cM 为风攻角为 0b时, 主梁扭转力矩系数 CM 的斜率, 为 01975。计算得出泰州大桥的静力扭转发散临界风
速为 146119 m / s。根据 5公路桥梁抗风设计规范 6, 静
力扭转发散的检验风速可取为 [ Vtd ] = 2 @Vd = 2 @40. 2 = 80. 4 m / s ( 3)
Zn 处的风速, H为地面粗糙度指数, 其值大小反映了风 速随高度增加的 快慢, 地面 越粗糙, 该 值越大。根 据
2006年泰州大桥同步风速的观测资料, 分析计算得到
同步日较大风速的 H值 (表 2)。拟合相关分析表明,
推算的指数率对 60 m 处 的风速拟合较 好, 相关系 数
01863, 通过 0105信度显著性检验。
委托同济大学开展了泰州大桥节段模型试验, 对主梁
进行了气动选型。试验在同济大学土木工程防灾国家
重点实验室 T J21 边界层风 洞中进行, 采用缩尺比 为
1 /70的弹簧悬挂二元刚体节段模型。成桥状态考虑了
栏杆、防撞栏以及检修轨道的设置。泰州大桥在来流
攻角为 0b时, 主梁一阶反对称扭转为颤振的主要参与
Vtd = ftB
P3 2
L
r b
21 C cM
( 2)
其中: ft 为扭转基频为 01284 9H z; B 为主梁 全宽 为 3518m; L= m / ( P Qb2 ), m 为桥面系及主缆单位长度
质量, 取 26 03219 kg/m, Q为空气密度, b为桥梁半宽;
r /b为桥梁断面的惯性半径比,
表 1 桥位平 均风速和最大风速平均
高度 /m
60
50
30
10
10 m in最大风速平均 / (m / s) 81 02 71 66 7141 6165
分析逐日各层日最大风速出现的时间和风向, 发现
各层的最大风速出现时间很多情况下基本同步, 但同一
时间各层风的风向也可能不完全一致。风速随高度的
变化不仅受到地形、地面粗糙度影响, 还受到大气层稳
01071 6, f2 = 01081 5), 与比较悬索桥的相近 1119 B1, 但小于润扬大桥和江阴大桥的 1181 B1, 反映泰州大桥
的面内刚度与面外刚度相差不大。 (3) 泰州大桥一阶反对称扭转频率小于主跨
1 080 m的悬索桥, 由于 其桥面比较宽扁, 其性能 接近 平板桥面。其抗扭能力小于主跨相 同的单主跨悬 索
表 3列出了泰州大桥的结构动力特性有限元分析 结果, 并与江阴大桥、润扬大桥以及跨径布置为 390 m + 1 080m + 390m, 其他结构形式皆和泰州大桥相同的 双塔悬索桥进行了对比。
通过对上述结果的分析, 可知泰州大桥的动力特 性具有以下特点。
( 1)主跨 2 @1 080 m 的三 塔悬索桥 第一阶频 率 f1 = 01071 6H z, 振型主梁一阶反对称侧弯; 主跨 1 080
2 桥区风场特性
211 风速风向 桥位区横跨西北 ) 东南走向的长江主江, 南侧的
扬中市地势低平, 四面环江, 北侧的泰兴市为江淮两大 水系冲积平原, 地势平坦。桥位处于东亚季风区, 盛行 风向随季节的变化十分明显。桥位处 1959~ 2005 年 的气象 资料 表明, 桥 位北侧 的泰 兴年 平均 风速 218 m / s, 南侧的扬中年平均风速 310 m / s。泰兴全年以东 北东 ( ENE )和东风 ( E )为最多, 频率达 10% ; 扬 中全 年东南风 ( SE )最多, 为 10% 。影响桥位区的台风平均 每年为 211次, 瞬时极大风速泰兴为 4010m / s, 扬中为 4210 m / s。 212 风随高度的变化
力而造成系统运动发散, 这种空气动力失稳现象就是
颤振。泰州大桥加劲梁采用流形线钢箱梁, 其空气动
力特性和平板的空气动力特性类似, 有比较大的升力
曲线斜率, 动态失稳主要表现为扭转颤振或弯曲扭转
复合颤振。
根据 5公路桥梁抗风设计规范 6, 其颤振稳定性指
数为
If =
[ Vcr ] ft# B
=
0.
57. 284 9
# 桥 梁#
大跨径三塔悬索桥抗风性能分析
陈策
(江苏省长江公路大桥建设指挥部, 南京 210004)
摘 要: 针对泰州 长江 公 路大 桥在 抗 风设 计方 面 的难 点与 特 点, 研究三塔悬索桥抗风性能, 包括三 塔悬索桥的 动力特性、加 劲梁断面的静力稳定 性、颤振 稳定性 以及 涡激共 振等, 揭 示三 塔悬索桥的部分抗风特性。 关键词: 三塔悬索桥; 抗风性能; 风洞试验; 动力特性 中图分类号: U4481 25 文献标识码: A 文章编号: 100422954 ( 2008) 0220031203
1 工程背景
泰州长江公路大桥位于江苏省中部, 桥位处江面宽 213 km。综合考虑桥位处河势、水文、地质与航道状况, 以及深水岸线的充分利用, 泰州大桥采用三塔两跨悬索
收稿日期: 2007211201 作者简介: 陈 策 ( 1975) ), 男, 工程师, 1998年毕业于东南大学。
图 1 三塔悬索桥总体布置 (单位: m )
Vtd > [ Vtd ], 泰州长江公路大桥在成桥状态不会发生静 力扭转发散。
314 三塔悬索桥颤振稳定性分析 气流经过桥梁断面时, 风的动力激发桥梁结构的
32
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陈 策 ) 大跨径三塔悬索桥抗风性能分析
# 桥 梁#
振动, 当振动系统所吸收的能量超越了自身的耗散能
定度、天气以及江陆风环流的影响, 风随高度的变化规
律相对复杂。长江沿线多座桥梁气象专题的研究结果
表明, 桥位风速随高度的变化大体符合指数规律, 因此,
按 5建筑结构荷载规范 6来计算设计风速, 其公式为
Vn = V1 Z n /Z 1 H
( 1)
式中, V1 为地面以上 Z 1 处的风速, Vn 为地面以上
水比较敏感, 但深度仅限 1 cm。 综上所述, 该种填料可以应用于路基底层和路基
堤身的填筑, 但由于试验条件限制, 改种填料仅限于路 基填筑高度 10 m 以内, 由于夯实层 表面对水比较 敏 感, 如果 2层施工间隔的时间较长或遇到下雨或长时 间太阳暴晒, 下层填筑前应对表面进行碾压处理。 参考文献:
4 @3 5.
8=
5. 63
( 4)
其中, ft 为扭转基频, B 为桥面全宽, [ Vcr ]为颤振
检验风速 (m / s)。
5公路桥梁抗风设计规范 6第 61313条规定, 当颤
振稳定性指数 4[ If [ 715时, 宜进行主梁气动选型, 并通过节段模型试验、全桥模型试验或详细的颤振稳
定性分析进行检验。江苏省长江公路大桥建设指挥部
m的双塔悬索桥第一阶频率 f1 = 01072H z, 润扬大桥 和江阴大桥 第一阶频 率分别为 01048 9 H z和 01050 9 H z, 振型皆为主梁一阶正对称侧弯。由此可见, 主 跨 相同的三塔悬索桥和 双塔悬索桥第一阶振动频率 接
近, 泰州大桥第一阶振型为一阶反对称侧弯, 而不是常
规的双塔大跨径悬索桥的一阶正对称侧弯。 ( 2)泰州大桥的面内外基频之比为 1114 B1 ( f1 =
平均值 H 01115
表 2 60 m 拟合与实测风速误差
平均绝对误差 01 85m / s
相关系数 01 863
样本数 164
3 抗风性能研究
311 风速参数 根据泰州大桥气候背景与风参数研究成果, 10 m
高度处 100年重新期 10 m in平均最大风速即设 计风 速为 32m / s, 地表粗糙度指数为 01115, 根据式 ( 1 )计 算得到桥面高度处 ( 70 m )的设计基 准风速为 40102 m / s。按照 5公路桥梁抗风设计规范 6, 泰州大桥的设 计风速为 31183 m / s, 地表粗糙度指数取 0112, 桥面高 度处的设计基准风速为 4012 m / s, 气象观测与抗风设 计规范两者的误差为 0155% 。泰州大桥桥面高 度处 的设计基准风速取为 4012 m / s, 据此得出桥面高度处 的颤振检验风速为 5714 m / s。 312 结构动力特性
[ 1] 铁四院. 新建铁路武汉至广州客运专线乌花段新建工程 施工设计 图路基设计图集 [ Z]. 武汉: 20061
[ 2 ] 铁道部第一勘测设计院. 铁路工程地质手册 [ K]. 北 京: 中国铁道 出版社, 1999.
31பைடு நூலகம்
# 桥 梁#
陈 策 ) 大跨径三塔悬索桥抗风性能分析
见表 1, 可以看出风随高度增加的特征。
者, 主梁一阶反对称竖弯、一阶正对称竖弯也明显地参
与了颤振运动, 是以反对称扭转振动为主的耦合颤振,
试验采用了两种振型组合: 即组合 Ñ 为一阶反对称竖
弯 + 一阶反对称扭转, 组合 Ò 为一阶正对称竖弯 + 一
阶反对称扭转。
参照 5公路桥梁抗风设计规范 6, 实桥各阶模态阻
尼比均取为 015% , 试验在均匀流场中进行。采 用直
一般情况下, 风速随高度的增加而不断增加。泰 州大桥 2006年观测期间得到的 10 m in平均最大风速
6 结论
通过以上试验得研究, 白垩纪全风化砂砾岩填料 填筑路基有以下特点:
( 1)填料自身结构质密, 粒径小于 015 mm颗粒试 验显示低塑性;
( 2)在饱和状态最不利荷载条件下, 一维压 缩试 验显示 填料 在 填筑 完成 后 其沉 降 很快 完 成而 趋 于 稳定;
表 3 三塔悬索桥 与双塔悬索桥自振特性比较
泰州大桥 润扬大桥 江阴大桥 比较悬索桥
( 主跨
( 主跨
( 主跨
( 主跨
序
振型描述
号
2@1 080m ) 1 490m)
1 385m) 1 080m )
振型 频率 振型 频率 振型 频率 振型 频率
号 /H z 号 /H z 号 /H z 号 /H z
1 主梁一阶反对称侧弯 1 01071 6 3 01122 9 3 01116 9 3 01230 2 主梁一阶反对称竖弯 2 01081 5 2 01088 4 2 01092 0 2 01086