西堠门大桥成桥状态的非线性静风稳定性分析

西堠 门大桥为世界第二跨径 的悬 索桥 ， 于我 罔东部沿 位 海风环境恶劣地 区， 从而 有必要对 其抗 风稳定性进 行研究 。
研究 结 果 表 明 ， 用 线 性 方 法 进 行 桥 梁 结 构 的静 风 稳 定 性 分 采
析会过高地估计其抗风能力 ， 是偏于不安全 的。本文在 考虑 静风荷载的非线性和悬 索桥结构 的几何非线 性的基础上 ， 通
【 文献标识码 】 Ａ
珠江黄埔南汊悬索桥为例 ， 分别 以其空 缆状态 （ 图 １跨 中 如 ， 采用刚臂梁单元连接两根 主缆 ） 吊杆加 劲梁悬 吊结构 （ 和 如
图 ２ 的 非 线 性有 限元 稳 定 性 分 析 来 探 讨 主 缆 和 吊杆 对 于 抗 ） 静风能力的贡献。
风 工 程 试 验研 究 中心 在 进 行 西 堠 门 大 桥 全 桥 模 型 成 桥 状 态
用 很 明 显 。悬 索 桥 在 风 荷载 作 用 下 ， 主梁 的 升力 荷 载 由 负 当
流绕过桥梁时所产生的特征紊流以及漩 涡脱落等非定 常（ 随 时间变化 的） 效应。在 强静风荷载 作用下 ， 悬索 桥将产 生较
大 的 扭转 变 形 ， 构达 到静 风 平 衡 状 态 时 其 几 何 位 置 以 及 结 结 构 刚度 与 初 始 状 态 相 比将 会 有 明显 的 改 变 。尤 其 是 桥 面 变 形 将 改 变 主梁 断 面 与 气 流 间 的有 效 攻 角 及 有 效 攻 角 沿 桥 跨
速 向上运动 ， 导致结构的部分区域 发生明显的软化 ， 此时 ， 结 构发生空气静力失稳 。另外 ， 索桥跨 径的增大将导致结构 悬
刚 度 和 阻 尼 的 降 低 ， 静 风 作 用 也 更 加 敏 感 ， 风 稳 定 性 对 静
过大 型有 限 元 软 件 Ａ Ｓ Ｓ软 件 对 西 堠 门 大桥 进 行 了非 线 性 ＮＹ
静风稳定性分析计 算 ， 得到 了其静风失 稳临界 风速 ， 与风洞 试验结果相吻合 ， 与线性分 析方法进 行 了比较 ， 并 为大跨度
悬 索 桥 的 抗 风 设计 提 供 参 考 。
图 ２ 粱 的计 算 模 式 示 意
囊
： 专
西 堠 门 大 桥 成 桥 状 态 的 非 线 性 静 风 稳 定 性 分 析
吴 志 勇 诸 葛 萍 ，
（ ． 州瀚 阳下程 咨询有 限公 司 ， １广 广东广 州 ５ ０ ２ ； ． １６ ０ ２ 两南交 通大学 土术学 院 ， 四川成 都 ６ ０ ３ ） １０ １
【 摘 要】 根 据国 内 风洞模型试验成果 ， 外 在强静 风荷 载作 用下， 径桥 粱静 力失稳的临界风速可能 大跨
时考 虑 悬 索 桥 结 构 的 几 何 非 线 性 因 素 和静 风 荷 载 的 非 线 性 因素。 悬 索 桥 的 非 线性 静 风 失 稳 一 般 指 静 力 扭 转 发 散 ， 即在 风 的静 力 扭 转 力 矩 作 用 下 ， 当风 速 达 到 临 界 值 时 ， 梁 主 梁 扭 桥 转 变 形 的 附 加 攻 角所 产 生 的 空 气力 矩 增 量 超 过 了结 构 抵 抗
Ａ ＳＳ Ｎ Ｙ 软件和观有的文献资料对该大桥成桥状 态的静风稳定性进行分析 ， 并与线性分析方 法进行 了比较 ， 为
大跨 度 悬 索桥 的抗 风 设 计 提 供 了一 定 的 参 考 。
【 关键词 】 西堠 门大桥 ； 非线性静风稳定性 ； Ａ Ｓ Ｓ 线性分析 ＮＹ ；
【 中图分类号】 ｕ４ ． ４１ ３
逐渐变正时 ， 相应 主梁 由向下位移逐 渐转 为向上位 移 ， 构 结
切 线 刚度 由 大 变 小 。 风 速 继 续 增 加 ， 构 扭 转 变 形 不 断 增 结 大， 升力 荷 载 急 剧 增 加 ， 构 迅 速 向上 运 动 。随 着 结 构 的 迅 结
方向的不均匀分布 ， 这些都将引起作 用在桥面上静风作 用力 的变化 。因此进行悬 索桥非线性静风稳定性 分析时 ， 必须 同
低 于动 力失 稳 的 临 界 风速 ， 因此 对 大跨 悬 索桥 进 行 静 风 稳 定性 分析 不 可或 缺 。 以西 堠 ； 大桥 为 工程 背 景 ， ’ １ 考
虑 静 风 荷 载 的 非 线 性 和 悬 索桥 结构 的几 何 非 线性 ， 后 运 用 增 量和 迭 代 相 结 合 的 计 算 方 法 ， 用 大 型 有 限元 然 利
的风洞试验时 ， 观察 到了静风 失稳现象 ， 其静 力失稳 临界风
速 约 为 ９ ｓ低 于 动 力 失 稳 临 界 风 速 。 与 动 力 失 稳 相 比 ， ８ｍ／ ，
空气静力失 稳 发生 前 无任 何 预兆 ， 突发 性 强 ， 而破 坏 性பைடு நூலகம் 因
更大。
图 １ 索的 计 算模 式 示 意
从 对 图 １的分 析 结 果 看 ， 强 静 风 作 用 下 ， 臂 发 生 了 在 刚 较 大 的 扭 转 角 ， 至 迎 风 侧 主 缆 的 刚 度 开 始 软 化 。 能 保 持 直 不 稳 定 状 态 时开 始 失 稳 。对 于 图 ２ 在 强 风下 ， 发 现 明 显 的失 ， 未
１ 悬索桥 静风 失稳机理研 究
静 风稳 定 性 分 析 时 只考 虑 定 常 的 空 气 作 用 力 ， 略 了气 忽
稳现象 ， 当主跨跨中扭转 角达 到一定值 时 ， 吊杆的 刚度也开 始软化 ， 出现计算 难于收敛 的现象 。但是这两 种结构状态下 的静 风失稳临界风速 都 比成 桥状态 高得 多， 明主缆 、 说 吊杆 和主梁 的组合作用使悬索桥 的抗 静风能力降低 ， 且主梁的作
根据对 国内 ｌ ０ ０ｍ以下的斜拉桥 和悬索桥的抗风稳定 ０ 性分析和风洞试验 资料 ， 颤振动力失稳 的临界风速一般都低 于静力失稳 的临界值 。但 跨度 超过 千米 的 江阴大 桥 （ 索 悬
桥 ） 静 力 失稳 的 临界 风 速 向颤 振 风 速 逼 近 。 两 南 交 通 大 学 ，