斜风作用下大跨度桥梁抖振响应时域分析_I_分析方法

Ti m e domain analysis on buffeting response of long span bridges under oblique w inds ( I): analysis m ethods
Wang H ao L i A iqun ( Key L aborato ry of Concrete and Prestressed Concrete Structure , Southeast U niversity , M in istry o f Education, N anjing 210096 , Ch in a) Abstract : Current theories and ca lculat io n m ethods for buffeting response ana lysis o f bridges under ob lique w in ds are summ arized , and the trad itional w ind decom positio n approach o f analyzing the bu ffetin g response of lo ng span bridges under ob lique w inds is m od ified by com b in ing w ith the characteristics o f the m easure m ent data recorded by SHM S , w ith m ore accuracy and conven ience . A si m plified m ethod o f buffeting response ti m e dom a in analysis for long span bridges under oblique w inds is developed by using the m odified w ind decom posit ion approach and ANSYS . T he aerodynam ic self exc ited fo rce is si m ulated by using derived aerodynam ic rig idity and dam p m atrix o f the bridge deck elem ents , w ith the coeffic ients deter m in ed by th e flu tter derivatives o f the brid ge deck section and th e m easured w ind speed. T he above m ethods are coded by using MATLAB and ANSYS , and the buffeting response of a br idge can be d irectly obta in ed th rough the w ind characteristic m easurem en t data from SHM S . U sing typhoon M atsa as an exa m p le , the m ethod is em ployed to ana ly ze the buffetin g response of the Runyang Suspension Bridge ( RSB ) under the ob lique w ind . K eyword s : long span bridge ; buffet ing response; ti m e dom a in ana lysis; ob lique w ind E m ai: l whzjn @ sina . com 引 言 大跨桥梁结构的抖振实质上 是紊流风荷载 引发
第 42 卷
第 10 期
王
浩等 ! 斜风作用下大跨度桥梁抖振响应时域分析 ( I): 分析方法
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析 , 因此并不能够很好地应用于大跨度桥梁等非线性 结构体系。 时域分析方法将激励转化为时间系列, 通过动力 有限元方法得到结构抖振响应的时程 , 可计入几何非 线性、 气动自激力、 气动导纳 等各类非线性因素 的影 响 , 且不存在频域分析中模态耦合和模态数选取等问 题 , 因此近年来, 许多学者采 用时域法进行大跨 度桥 梁 的 抖 振 研 究。 例 如 国 外 学 者 Boonyapinyo & M iy ata 、 Kovacs 和 Chen & M atsum to 等在时域内 研究了大跨度桥梁抖振响应的问 题。一些国内 学者 如周述华、 刘春华、 曹映泓、 黄汉杰、 韩大建等也 都对 大跨结构颤抖振响应的时域分析方法进行了研究, 分 析中大都考 虑了各类 复杂因素 的影响 。另外, 李 [ 11] 立 等人还利用一种时频混合格式计算了桥梁结构 的抖振响应。时域法考虑因素较全面 , 是抖振计算的 发展方向, 但计算量较大 , 在 随机风场模拟及自 激力 的时域化离散处理方面仍有待研究。 在已有的研究当中, 大多数常用的抖振分析方法 都是假定平均风向与桥跨方向垂直 ( 正风作用 ), 并认 为此时桥梁的抖振响应最大。然而大跨度桥梁 在方 案设计中, 通常总是设法使桥跨的法向偏离当地的主 风向以减小桥梁的风振响应, 使得各类强风常以一个 较大的偏角偏离桥跨的法向, 大量现场实测结果也都 证明了这一结论 。而斜风作用下桥梁抖振响 应分 析方法都是基于线性准定常和气动片条理论, 可分为 两类: 平均风分解法 和直接斜风分析法 。现有 的平均风分解理论均未考虑风速仪实测数据的特点, 且目前尚未建立一套顺桥向风作用下的合理且 适用 的气动力模型, 限制了其发展。由朱乐东研究员等发 展的直接斜风分析法虽然避开了斜风分解过程, 但是 需要进行斜风作用下结构模型的风洞试验, 以提供所 必需的气动参数 , 增加了工作量和试验费用。 本文以 Scanlan R H 教授基于平均风分解法的斜 风作用下大跨度桥梁抖振响应分析方法为基础, 首先 结合 S HM S 实测风特性数据的特点对其进行改进, 建 立适用于 S HMS 采集数据的风分解法。在此基础上以 大型计算软件 MATLAB 和 ANSYS 为 分析平台 , 发展 一套斜风作用下大跨度桥梁抖振响应的时域分 析实 用方法 , 自激力在 ANSYS 中以 M atrix 27 矩阵的形式输 入 , 编制了全部相关程序, 从而实现了直接由 SHM S 实 测风环境数据得到结构的抖振响应 , 并以受 麦莎 台 风袭击的润扬悬索桥为典型案例进行斜风作用 下大 跨度悬索桥抖振响应的时程分析。 1 Scanlan平均风分解法的改进 Ki m ura K、 T anaka H 和 X ie J等人提 出了斜风作
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, 因此, 采用该法所得计算 结果的准确性
还有待现场实测数据的进一步考证。 随着风与结构健康 监测系统在很 多重要桥梁结 构上的安装, 现场测得了大量的斜风特性数据以及在 这些斜风作用下结构关键部位的响应, 为验证基于平 均风分解法的斜风作用下桥 梁抖振响应分析理论提 供了良好的平台。然而由于早期实测风数据的缺乏 , 现有平均风分解理论都是从 已知主风向平均风速和 三维脉动源自文库速开始 , 未考虑风速仪实测数 据的特点 , 因此应用起来很不方便, 需要对实测数据包括瞬时风 速大小 V、 方位角 、 竖平面角 ( 攻角 ) 等进行分析处 理以获得主风向平均风速和三维脉动风速
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。为此
本文对 Scan lan 教授的斜风分解理论进行改进。假定 桥面受到主风向与桥跨法向夹角 ( 风向偏角 ) 为 的 斜风袭击 , 如图 1所示。
图 1 斜风作用下的主梁平面示意图 Fig . 1 Plane view of main girder under ob lique w ind s
第 42 卷第 10 期 2 0 0 9 年 10 月
土
木
工
程
学
报
CH INA C IV IL ENG INEER ING JOURNAL
Vo. l 42 O ct .
No . 10 2009
斜风作用下大跨度桥梁抖振响应 时域分析 ( I): 分析方法
王 浩 李爱群
( 东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室 , 江苏南京 210096) 摘要 : 在对现有桥梁抖振分析 理论及计算斜风作用的方法进行总 结的基础 上 , 结合 大跨度桥 梁结构 健康监 测系统 ( SHM S) 中风速仪实测风特性数据的特点对平均风分解 法进行 改进 , 使得风 速分解 过程更 为准确、 便 捷 , 据 此发展 一套基于 ANSY S 平台计算斜风作用下大跨度桥梁抖振响应的 时域分析 方法。其中主梁 气动自激 力以导出 的单元 气动刚度和气动阻尼矩阵进行模拟 , 根据 主梁断面的颤振导数以及实测 风速数据来 确定单元 气动刚度和 气动阻尼 矩阵的参数 , 由此获得专用于抖 振分析的 大跨度 桥梁有 限元计 算模 型。在此 基础 上联合 采用 M ATLA B 和 ANSY S 平台编制了全部的相关计算程序 , 从而实 现直接由 SHM S 实测 风环境 数据得 到结构的 抖振响 应 , 并以实 测 麦 莎 台风为例进行斜风作用下润扬悬索桥抖振响应的时域数值计算。 关键词 : 大跨度桥梁 ; 抖振响应 ; 时域分 析 ; 斜风 中图分类号 : U 448 文 献标识码 : A 文章编号 : 1000 131X ( 2009) 10 0074 07
此时 Scanlan 教授的斜风分解理论从平均风速和 [ 14] 三维脉动风速开始进行 , 如式 ( 1)所示。 U + u ( t) = Va ( along w ind , 顺风向 ) ( 1a) v( t) = Vh ( horizontal across w ind , 横风向 ) ( 1b) w ( t ) = Vw ( vertical across w ind, 竖向 ) ( 1c) 图 1 和式 ( 1 ) 中, U 为 平均 风速 , u ( t ) 、 v ( t) 和 w ( t) 分别代表顺风向、 横风向和竖向脉动风速, 风速 沿三个方向的分量分别用 Va 、Vh 和 Vw 来表示。按照 Scan lan 斜风分解理论将 U、 u ( t) 和 v( t) 进行顺桥向和 横桥向分解, 如图 ( 1) 所示 , 则有
基金 项 目 : 国 家 杰 出 青 年 基 金 ( 50725828 ) 、 国 家自 然科 学 基金 ( 50538020) 、 国家自然科学基金青年基金 ( 50908046) 、 国家 科技支撑计划项目 ( 2006BA J03B05) 、 国 家教育部 博士点基 金 ( 200802861012 ) 和湖南大学风工程与桥梁 工程湖南省重 点实验室开放基金 作者简介 : 王浩 , 博士 , 讲师 收稿日期 : 2008 05 09
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用下桥梁抖 振响应 分析的 平均 风分 解法 Scan lan 教授
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, 并由
对该法进行了总结。该方法首先把斜
风的平均风速分解成垂直桥跨方向 ( 横桥向 ) 的余弦 分量和顺桥向的正弦分量 , 然后独立地计算两个平均 风速分量作用下的桥梁抖振响应 , 再对计算结果进行 叠加。由于目前还无法建立一套顺桥 向风作用下的 合理且适用的气动力模型 , 难以计算出桥梁在顺桥向 风作用下的响应, 因此在分析中一般忽略了斜风顺桥 向的正弦分量 , 而只 考虑横桥向的余弦分量 , 已有学 者指出, 常规的斜风分解法可能会低估斜风作用下大 跨度桥梁的抖振响应幅度 , 造成大跨度桥梁抗风设计 的不安全
的桥梁受 迫振动 , 虽然它 通常不至 于引起结 构的破 坏, 但会导致结构的功能性障碍, 如引发构件疲劳、 影 响行车舒适度等, 随着桥梁结构跨径和桥宽的不断增 [ 16] 大, 桥梁抖振分析显得 越来越重要 。抖振响应计 算主要有频域和 时域两类分析方法。早期国内外桥 梁抖振分析主 要在频域内进行, 采用 FFT 变换技术 , 通过激励的统计 特性来确定结构的统计 特性。由于 频域方法在分析过程中只能计入一定数量的模态 , 得 出的是结 构响应值 的统计特 征, 且 只能进行 线性分