三线合一、三塔悬索桥两设计方案静风稳定性对比研究.pdf

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1、第36卷，第2期中国铁道科学Vo1．36No．220l5年3月CHINARAIIWAYSCIENCEMarch，2015文章编号：1001—4632(2015)02—0030—07三线合一、三塔悬索桥两设计方案静风稳定性对比研究徐昕宇，李永乐，侯光阳，遣子龙，鲍玉龙(西南交通大学土木工程学院，四川成都610031)摘要：以某公铁两用三线合一、三塔悬索桥为研究对象，运用ANSYS软件分别建立该公铁两用桥的2个设计方案(钢箱桁和钢桁)的全桥有限元模型和等效单梁有限元模型，通过节段模型风洞试验得到这2个设计方案的静力三分力系数曲线；在同时考虑风荷载非线性和结构几何非线性影响的情况下

2、，采用风速增量与内外双重迭代结合的方法，进行该桥2个设计方案的静风稳定非线性全过程对比分析，研究其静风稳定性能。结果表明：建立的三线合一、三塔悬索桥等效单梁有限元模型是可行的；该桥2个设计方案的自振频率均较低，易发生振动，其静风失稳形态为横向、竖向和扭转的空间变形失稳；钢箱桁方案的静风失稳临界风速较钢桁方案的大，而同一风速下钢箱桁方案的桥梁变形比钢桁方案小；不同初始攻角条件下，桥梁静风失稳形态除可能是侧向对称失稳外，还可能是双跨反对称竖向失稳，这与升力系数、升力矩系数密切相关。关键词：悬索桥；公铁两用桥；静风稳定性；三分力系数；风荷载；失稳；非线性；全过程分析；失稳形态中图分

3、类号：U448．25：U448．121文献标识码-A随着交通运输行业的快速发展，人们对交通线路的运输通行能力提出了更高的要求。多种类型线1工程概况路(铁路和公路)共用一座桥梁跨越江河的方式不仅提高了单座桥梁的通行能力，还能够节约桥位；该三线合一、三塔悬索桥是一座6车道高速公而悬索桥以多塔形式跨越江河，可有效降低桥梁下路、6车道城市主干道和双线市郊铁路3条线路共部结构造价，是一经济的桥梁结构形式l】]。因此，建的三塔悬索桥，两主跨跨越主航道及辅航道。设多线合一、多塔悬索桥在大跨度桥梁的设计中具有计方案分钢箱桁方案与钢桁方案2种：钢箱桁方案较强竞争力。国内外对多线合一、多塔悬索桥

4、的静的跨径布置为52m+2×800m+52m一1704m，风稳定性能研究较少，而大跨度悬索桥结构轻柔，钢箱桁架组合梁桥面宽45．7ra，下层为2个分离对风的作用敏感，结构的抗风安全性是此类桥梁设式钢箱梁，通过横梁相连，铁路线路位于加劲梁中计的关键技术l4]。因此，针对其静风稳定性能进间；钢桁方案的跨径布置为94m+2×800ITI-F94行研究很有必要。m一1788m，横断面采用钢桁架形式，桥面宽本文以某三线合一(1条铁路线2条公路线)、5O．66m，铁路线路布置于加劲粱下层桥面外侧，三塔悬索桥为研究对象，运用大型商用有限元软件伸出挑臂支承。桥梁总体布置图如图1所示，2个AN

5、SYS，对该桥的2个设计方案进行静风稳定非方案的横断面布置分别如图2和图3所示。线性全过程对比分析，另对该桥在不同初始风攻角条件下的静风失稳路径进行探析。图1桥梁总体布置图(单位：m)收稿日期：20140420；修改日期：201412—24基金项目：国家自然科学基金资助项目(U1334201，51278434)作者简介：徐听宇(1990一一)，男，四川乐山人，博士研究生。第2期三线合一、三塔悬索桥两设计方案静风稳定性对比研究图2钢箱桁方案加劲梁横断面布置(单位：mm)图4全桥有限元模型。国盆盒。。自自四rrT—’rrrrr．r’T—r1．±罩厂＼．其自由端分别进行横向、竖向和

6、扭转加载，得到距善=悬臂梁自由端适当位置(避免加载产生的局部效。目盒盒，I自自四，，lf±

7、T一--’T"．T-’—r丁’n⋯rT—n⋯1±f应)的位移，再根据位移等效原则，求得各方向的17500l，5oo3：25330●，、：等效刚度。等效截面采用空间梁单元模拟；其他结图3钢桁方案加劲梁横断面布置(单位：mm)构构件采用与全桥有限元模型相同的单元模拟。钢箱桁方案的等效单梁有限元模型如图5所示。2有限元模型建立2．1全桥有限元模型根据设计资料，运用大型商用软件ANSYS分别建立钢箱桁方案及钢桁方案的全桥有限元模型，加劲梁各杆件和桥塔采用空间梁单元模拟，大缆和吊杆采用空问杆单元

8、模拟。建立的钢箱桁方案有限元模型如图4所示。图5等效单梁有限元模型2．2等效单梁有限元模型对于桁架形式悬索桥，由于其模型较为复杂，2．3两模型下桥梁动力特性对比分析采用全桥有限元模型对后续静风稳定性计算的加载采用块Lanczos法分别对2个方案的全桥有限及位移结果追踪有较大局限性。对比箱型加劲梁悬元模型及单梁有限元模型进行模态分析。结构前索桥的建模方法，可考虑用1个等效截面代替整个1O阶的自振频率及其对应的振型见表1。由表1可加劲梁断面，该截面应满足与实际截面在各方向的知，该桥的自振频率较低(常见公铁两