多塔连跨悬索桥横桥向等效风荷载.pdf

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1、一s一⋯一◎多塔连跨悬索桥横桥向等效风荷载程嘉稀，马如进(同济大学桥梁工程系，上海200092)摘要：桥梁在风作用下引起的静力及动力荷载，在抗风设计中可以使用简化的等效风荷载进行加载。然而目前相关规范中的风荷载加载模式不适用于多塔连跨悬索桥结构。针对多塔连跨悬索桥的结构特点，基于等效风荷载原理，对三塔两跨悬索桥在横桥向风作用下的中跨最大横桥向位移与中塔最大横桥向位移的等效风荷载进行了研究。进一步将研究成果推广至多塔连跨悬索桥，最终获得了三塔及多塔悬索桥的横风向荷载加载模式及阵风响应系数。研究成果可为多塔连续桥梁的风荷载提供设计依据。

2、关键词：多塔悬索桥；等效风荷载；背景风荷载；惯性风荷载；阵风响应系数0引言风荷载作为桥梁的设计荷载之一，其计算方法一直受到工程师们的关注。目前《公路桥梁抗风设计规范》[11将风速考虑静阵风速系数放大后，风荷载效应可以按照静力等效的模式进行分析获得。工程实践中，计算大跨空间结构的等效静风荷载有多种方法，较为常见的是将某关键点的位移放大系数作为风振系数来使用，或者采用LRC[2]或其改进方法进行计算，还有采用主导振型的放大倍数作为风振系数等等。在已有的一些等效风荷载的研究中，抗风规范给出了双悬臂施工的风荷载加载模式，季凯对各种斜拉桥的荷

3、载模式进行了研究[3]，这些研究对于桥梁风荷载的设计提供了简化方法。多塔连跨悬索桥与传统的单跨悬索桥相比，结构振动复杂性增加，不同跨径之间结构相互影响的效应突出[4]。因此，等效风荷载问题也更加复杂并且尚未得到深入研究。本文以泰州长江公路大桥为背景，针对不同跨数的多塔连跨悬索桥分类讨论，选择每跨不同幅加载模式，结合其第一阶振型和横向位移影响线计算各跨阵风响应系数，最终提出了多塔连跨悬索桥横桥向等效风荷载作用模型。1等效风荷载计算方法所谓等效风荷载即均布或分段均布的静荷载，该荷载作用下结构特征点的荷载响应与通过抖振频域或时域分析获得的

4、响应最大值可以等效嘲。作用在桥梁上的风荷载在分析过程中一般可以分解为平均风荷载收稿日期：2016一0310基金项目：国家科技支撑计划项目(2014BABl6805)与抖振风荷载。而后者按其作用特点可分成背景响应和共振响应两部分[6]。其中平均风荷载可表示为：——1——P一÷10cDAu2(1)厶’式中，p为空气密度，CD为桥梁截面的阻力系数，A为桥梁单位长度上的迎风面积，U为平均风速。背景响应指的是脉动风荷载中不引起结构振动的成分产生的结构响应。根据其特点，利用随机振动谱方法和影响函数得到等效背景风荷载[7]：P6(z)一296j。

5、惫。p6佤≯(2)式中，助表示背景峰值因子，一般取值为3．5；j。表示紊流强度；B。是影响函数，(z)一1且气动导纳z：(柠)一1时的背景风荷载系数；魄表示考虑影响函数形状时对徊。的修正，矗。表示考虑气动导纳时对口。徊。的修正。共振响应则是脉动风荷载引起结构发生共振时的惯性力响应[8]，其对应的惯性风荷载可简化为结构发生侧向抖振时的第一阶惯性力[9]，如式(3)所示：P，1(z)一29，1I。口(z)P、／，R1(3)式中，g，t一~／2ln600n1+1．175，行l为桥梁一阶基频；肛(z)为振型质量参与系数；R，称之为惯性风荷载

6、系数，可由一阶振型表观阻尼比，共振能量系数和尺寸折减系数近似计算得到。为了得到均匀分布的等效风荷载，可以采用对响应进行组合的方式，所以等效风荷载Q(z)可表示成：Q(z)一P+靠(z)坐，一[1+2轧(z)j。以：正乙口；B。+g；。R，钟]P(4)其中，S。(z)是影响函数I(z)的符号函数；蛳为抖振风№．22016上冯么丞钮33◎s—G一一s一荷载响应，可分为背景响应和共振响应；y—jj『J(z)f枷一糌等等。在获得等效风荷载后，即可得出阵风响应系数G．即为G一垒害立一1+2一．(工)J。~／虿覆=诱面了Fi瓣(5)由上式可知，

7、等效风荷载的计算只与影响函数的形状以及振型函数的形状有关，因此在以下计算当中，所有的影响函数和振型函数都取为最大值规一的形式。2多塔连跨悬索桥等效荷载计算根据对多塔悬索桥力学特性的简单分析，其在风荷载下的最不利响应通常出现在中、边跨的跨中和塔顶，因此可以只考虑这些关键响应的影响线。本文首先针对已经建成的三塔连跨悬索桥～泰州大桥开展等效风荷载的研究，进一步针对四塔、五塔悬索桥的边、中跨跨中以及边、中塔塔顶横桥向位移进行等效风荷载分析，得到阵风响应系数。图l三塔悬索桥立面图以泰州大桥为例，横风向单跨跨中横桥向位移影响线曲线如图2所示，影

8、响函数可近似取为：rO．112—0．1163×cos(O．004444T)一O．08j78l×sin(0．004444z)(一1080≤工