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1、第1卷 第4期广州大学学报(自然科学版)Vol.1No142002年 7月JOURNALOFGUANGZHOUUNIVERSITY(NaturalScienceEdition)July2002文章编号:1671-4229(2002)04-0063-05大跨度桥梁非线性静力抗风研究112周 颖,禹奇才,曹映泓(1.广州大学土木工程学院,广东广州 510405;2.广东省路桥建设发展公司,广东广州 510635)摘 要:在传统的桥梁风荷载计算理论的基础上,考虑到大跨度悬索桥的非线性特点,提出了大跨度悬索桥在风荷载作用下的非线性静力失稳理论,推导了适合计算的非线性刚度矩阵,并开发了大
2、跨度桥梁的非线性静力抗风计算程序,通过了实例分析验证.根据该理论分析和计算,本文对大跨度悬索桥的静力抗风研究提出了新的思路和建议.关键词:桥梁;风荷载;非线性;稳定+中图分类号:TU973.2 文献标识码:A 长期以来,在桥梁工程的设计中都没有充分重方向,通常用风洞试验测得的静力3分力系数来表视风对结构的作用.历史上曾经出现过不少因空气示.按此规律变化的风荷载可能引起结构的失稳状[1]静、动力荷载作用引发的桥梁结构失稳事故.经过态为横向侧倾失稳或扭转发散.如前所述,大跨近半个世纪的研究实践,目前已经具备了解决超大度悬索桥的结构行为始终是非线性的.不仅随着桥跨径桥梁结构风致
3、动力失稳问题的方法和手段.由梁跨度的增大,结构的几何非线性会越来越显著,于一般大跨径悬索桥的动力失稳(主要是颤振)临而且风荷载也随结构变位而呈现非线性特征(气动界风速都低于静力失稳临界风速,大跨径悬索桥的非线性).也就是说,静力3分力系数是结构变位的[2]空气静力失稳问题一直未引起各国桥梁界的足够函数.影响风荷载的结构变位主要是主梁的扭转重视.与动力失稳相比,静力失稳发生前没有任何角,因此考虑扭转角影响的静力3分力公式为2先兆,突发性强,因而破坏性更大.PH=1/2ρVdCH(α)D随着我国国民经济的高速发展,修建跨度P=1/2ρV2CVdV(α)B(1)2000m以上或更大跨
4、度的跨海悬索桥的工作势在22PM=1/2ρVdCM(α)B必行.而开展大跨度悬索桥在静力风荷载作用下的 其中,ρ为空气密度,D、B分别为梁截面的高承载力和稳定分析则显得尤为重要.本文在广州市度和宽度,CH(α)、CV(α)、CM(α)分别为风荷载在建委科技基金项目“大跨度桥梁非线性静力分析”横向、竖向和扭转方向的分力系数.按(1)式规律变的资助下对该问题进行了初步研究,建立了大跨度化的风荷载可能引起桥梁发生一种新的失稳形式,悬索桥非线性静风失稳理论并通过程序进行了验即弯扭耦合失稳.证.运用本文的理论对大跨度悬索桥进行研究的结1.2 静风稳定理论果表明,大跨度桥梁的静力抗风问题
5、不容忽视,对通常稳定问题可以分为压屈失稳和压溃失稳于重要的桥梁,应进行非线性静风稳定性验算.两个类型.其中,压屈失稳属于特征值问题,可以通过求解特征值的方法计算.压溃失稳属于极值问1 非线性静风稳定理论题,可以通过求解极值的方法计算.由于计算桥梁的非线性静风失稳需要考虑结构的初始应力,因此1.1 风荷载描述按广义特征值问题求解静力失稳临界风速有一定 风对桥梁的作用力分为竖向、横向和扭转3个的困难.因此,应该按极值问题求解.收稿日期:2002-01-11基金项目:广州市建委科技基金项目“大跨度桥梁非线性静力分析”资助(96HJ0209)作者简介:周 颖(1970-),女,副教授
6、,博士后;主要研究方向:工程结构分析及桥梁结构测试,桥梁电算网络教学.©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.64 广州大学学报(自然科学版) 第1卷 针对大跨度悬索桥非线性静风这一特殊的极论所得临界风速不够准确.值问题,利用有限元理论进行计算的方法可以归结为求解如下形式的线性增量平衡方程组.2 非线性静风稳定算法(K0+Kσj-1)·{Δδj}={Fj(αj)}-{Fj-1(αj-1)}(2)式中Kσ———第j-1步状态时,由恒载及风20世纪70年代
7、以来,有限元法的出现与成j-1载共同作用引起的单元内力形成的几何刚度矩阵;熟,使结构分析技术获得了重大发展,许多大型通Fj(αj)———相应第j步有效攻角αj的风载;用有限元程序相继开发成功,如ADINA、ANSYS、Fj-1(αj-1)———相应第j-1步有效攻角αj-1ASKA、NON-SAP、NASTRAN、MARC等综合程序系的风载.统.这些程序均具备非线性计算功能,但静风荷载的计算都是简单地按常量荷载来处理,无法准确描述静风荷载的非线性特征,在空气静力稳定性分析方面也无能为力.为了
