双斜塔钢箱梁斜拉桥全桥气动弹性模型设计

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1、铁道建筑8RailwayEngineering文章编号：1003．1995(2012)12—0008—04双斜塔钢箱梁斜拉桥全桥气动弹性模型设计高伟，李志国，王骑，王玉柱(西南交通大学风工程试验研究中心，四JII成都610031)摘要：全桥气弹模型设计是大跨度桥梁风洞试验中的重要环节。气动弹性模型设计不仅要满足相似准则，还要满足气动外形相似，从而增加了模型设计的困难。以某双斜塔钢箱梁斜拉桥为例，详细介绍了大跨度桥梁风洞试验中使用的全桥气动弹性模型的设计、制作、安装和调试方法，以供同行参考借鉴。关键词：大跨度斜拉桥风洞试验全桥气弹模型设计和

2、制造中图分类号：U448．27文献标识码：ADOI：10．3969／j．issn．1003—1995．2012．12．03现代大跨度桥梁由于其自身具有轻、柔、阻尼小等1乌兰木伦河4号景观大桥概况特点，对于风的作用较为敏感，因而抗风性能评估成为大跨度桥梁设计的必要环节。抗风性能评估主要依靠拟建的鄂尔多斯市乌兰木伦河4号景观大桥主跨理论分析和风洞试验等手段，而风洞试验是目前最可为450m的双斜塔钢箱梁斜拉桥。钢桥塔高近130靠的手段。在各类风洞试验方法中，全桥气弹模型风m，主跨采用流线形钢箱梁，边跨采用预应力混凝土箱洞试验可以更为真实地模拟自

3、然风作用下桥梁结构的梁结构，梁高3m，梁宽37nl。图1为该桥的总体布各种空气动力作用，以及结构主要振型之间的相互耦置，图2为箱梁横断面。合作用，是检验桥梁颤振、抖振、涡激振动及静风稳定2全桥动力特性分析性最直接和最准确的方法。因此，对于重要的大跨度桥梁，全桥气动弹性模型风洞试验是评估其抗风性能2．1全桥动力有限元模型的主要手段。本文运用有限元软件Ansys对主桥建立有限元计桥梁结构风致响应的主要影响因素包括气动外算模型。主梁结构计算模型采用传统的“鱼骨梁”模形、结构动力特性和自然风特性。因此，模型的设计必型，主跨钢箱梁和边跨混凝土箱梁采

4、用空间梁单元须同时兼顾前两方面要求。相对于节段模型风洞试模拟，斜钢塔为变截面，采用渐变空间梁单元模拟，斜验，全桥气弹模型除了在动力特性上满足重要模态的拉索采用空间索单元模拟。桥面系采用质量点单元模频率和阻尼相似外，还必须满足振型的相似性，从而保拟集中质量和质量惯矩。其中，主梁划分276个单元证整个模型的风致响应可按相似关系换算到实桥上。(沿主梁上一个索距划分一个单元)，两个桥塔分别划8O00045(x)0图1乌兰木伦河4号景观大桥总体布置(单位：em)分47个和46个单元。模型中斜拉索与主梁的连接近似采用刚臂。成桥状态约束条件为：桥塔底部

5、和墩底收稿日期：2012—04．10；修回日期：2012—08．27部按照实际条件设置固定约束，6个自由度全部限定；作者简介：高伟(1986一)，男，山东菏泽人，硕士研究生。2012年第l2期双斜塔钢箱梁斜拉桥全桥气动弹性模型设计9下●一700l13O中跨图2主梁横断面(单位：em)辅助墩6～9，12～15以及两个主塔处的墩柱在竖3全桥气弹模型的设计和制作向、横向及顺桥向的扭转三个方向的自由度与主梁进行耦合限定。3．1概述2．2有限元动力特性计算结果气动弹性模型试验，除了满足几何相似之外，还应运用有限元软件Ansys计算了主桥前3O阶结构

6、满足弹性参数、惯性参数、重力参数、阻尼参数、黏性参动力特性。表1列出了对桥梁抗风有重要作用的几阶数等无量纲参数的相似。模型与实桥参数的相似关系模态的频率和振型特点。列于表2，模型设计将依据相似关系进行。表1成桥状态部分阶次结构动力特性模型设计包括芯梁设计、外模设计及配重计算三部分。芯梁设计：根据缩尺下来的实桥截面抗弯刚度和抗扭刚度进行芯梁的截面设计。对于芯梁的截面选择，遵从截面形式简单、加工制造方便的原则，按矩形、槽型、工字型等由简单截面到复杂截面的顺序进行对比选择。具体截面尺寸需要基于有限元软件建模试算确定。考虑到外模与芯梁的连接会在一

7、定程度上增加主梁的刚度，因此全桥气弹模型芯梁的抗弯刚度比实桥按缩尺下来的抗弯刚度数值小5％，而抗扭刚度比实桥缩尺下来的刚度数值小7％～10％。此外，对于质量及质量惯性矩的相似必须严格满足，误差不能超过3％，否则无法满足动力模型的基本要求。具体设计芯梁时，其质量不要超过设计基准值的一半，剩余的质量和质量惯性矩主要通过配重完成。基于此点，对于芯梁材料可以选择铝合金等各类轻质材料进行对比，以便在满足刚度要求的前提下尽量轻便。表2全桥气动弹性模型与实桥各参数的相似关系外模设计按照与实桥外形一致的原则，按缩尺比工、制造和安装的方便性，外模的长度和类

8、型应尽量趋分段设计，节段长度根据实际情况而定，一般可取向一致。200—500mm为一段。但在拉索区，为了得到更接近根据实桥缩尺要求的模型质量，参照芯梁质量、外于实际情况的结果，对于中跨及边跨近