风障对大跨度悬索桥静风稳定性的影响.pdf

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1、安徽建筑2014年第6期(总200期)风障对大跨度悬索桥静风稳定性的影响InfluenceofAerostaticsStabilityforSuspensionBridgesbyWindbreak杜飞(中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉430010)■■■——一l●—●—●一摘要：以某大跨悬索桥为对象，基于有无风障风洞测力试验获得的加5781650485仨-===劲粱三分力系数，进行非线性静风稳定对比分析，发现风障(透风率■■_50％)不会降低大跨度悬索桥的静风稳定性，在某种程度上抑制了静风失稳，尤其是在负攻角和零攻角时。在相同风速下，有风障时主梁跨图1某悬索桥立面图(

2、单位：mm)中横向位移大于无风障时主粱跨中横向位移，这是由于在很大的攻角范围内，有风障时阻力系数大于无风障时阻力系数。关键词：风障；悬索桥；三分力系数；静风稳定中图分类号：U448．25文献标识码：A文章编号：1007—7359(2014)06—0099—03O前言目前世界桥梁工程步人了建设跨海连岛工程的新时期，已有且将有多座大跨度桥梁建于强(台)风多发地区。强(台)风会对交桥面行车安全性和舒适性产生不利影响。作为改善桥面行车通工风环境的主要手段，风障被广泛采用，如中国杭州湾大桥、香港程图2有限元模型图青马大桥、法国Millau桥、英国Severn悬索桥、QueenElizabet

3、h研二桥和Sevem二桥等【哟加设了风障。目前关于风障的研究主究与要集中在风障对桥面行车风环境改善效果的影响。Smitht~等研应究了风障空隙率与挡风效果的关系。陈晓冬【1]、Charuvisita[~等对用桥塔区局部风障的挡风效果进行了深入研究。仅有少量文献涉及风障对大跨度桥梁抗风性能的影响。Smith等四认为风障对桥梁结构带来了非常大的气动阻力荷载，并且推测可能引起桥梁静力动力稳定性的下降。Ostenfeld通过风洞试验证明透风率在三40％～50％之间的风障既能够提供足够的挡风效率，又限制了分力气动阻力的增幅和稳定性的下降。Reinhold等f8】在丹麦大海带系数桥风洞试验研究

4、中提出的风障措施最后因抗风稳定性问题而未被采用。为了研究风障对大跨度悬索桥静风稳定性的影响，本文以某大跨悬索桥为研究背景，在风洞试验获得的主梁静力三分力一l5—1O一5O51015系数的基础上，对比研究了透风率50％的风障静风稳定性的影攻角(度)图3静力三分力系数响。由于该桥采用分体双箱粱，对其建立有限元模型时采用双主梁模型，其中，加劲梁、桥塔用三维梁单元模拟，主缆和吊杆1工程概况及计算模型模拟为只承受拉力的杆单元，并计入主缆和吊杆的初始应变。由于主缆单元划分较细，不必考虑其垂度效应影响。为了便于某悬索桥跨径布置为578m+1650m+485m=2713m，如图l施加风荷载和提取主

5、梁扭转位移，在加劲梁形心处增设一道虚所示。加劲梁断面采用全宽36m的分体双箱梁，中间开槽宽度拟主梁。有限元模型如图2所示。为6m，梁高3．5m。钢筋混凝土桥塔塔柱采用矩形凹角断面，塔图3为风洞试验中测得的成桥状态风轴加劲梁断面静力高约为200m，桥面以上部分塔高165m。该桥位于亚热带季风安三分力系数，试验中采用的风障对应实桥高度是3m，透风率为性海洋气候区域，桥址处基本风速为41．1rrds，成桥状态桥面基50％徽准风速高达55．14m／s。建2分析原理及方法筑收稿日期：2014-11-28作者简介：杜飞(1982-)，男，湖北十堰人，毕业于华中科技大学，硕士；工程师，主要从事道

6、路与桥梁设计工作。考虑到结构的变形，静力三分力系数可描述为有效风攻角一2014年第6期(总200期)安徽建筑a的函数，而有效风攻角。是初始风攻角与由静风荷载引起的加劲梁扭转变形产生的附加攻角0之和㈣。由于加劲梁扭转变形通常沿桥跨方向是虽变化的，因而作用在加劲梁上的静力三分力也是空间变形的函数。要考虑静风作用下的非线性影响，最重要的问题是要决定横向非线性变形及空气静力引起的桥梁结构变形状态⋯】。考虑空气位静力非线性影响的结构增量迭代静力平衡方程为：移＼詈[K{6j1{}={△)}(1)式中：IK{6}』为结构的切线刚度矩阵；{△6}为结构位移增量向量；{△．P)}为静风j分力荷载增量

7、向量。采用有限元数值计算模型，将结构恒载和静风荷载同时作用于计算模型上，采0姗406O绚lo0l2oⅡ用变形全过程跟踪计算法，在静风荷载随风速不断增长的计算m唾：}条件下，综合考虑了结构自身非线性和静风荷载非线性，采用(a)横向位移内增量与外增量结合的迭代方法求解方程(1)，计算获得结构在2·0各级风速下的位移响应。l·53计算结果及分析竖1·O向大气边界层中强风的攻角可能有一3。～+3。范围的微小变化s191，因此分别选取初始攻角为一3。、0。和+3。，以结构只承受