大跨柔性装饰拱顺风向抖振响应及疲劳性能研究.pdf

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1、一一～—淞◎大跨柔性装饰拱顺风向抖振响应及疲劳性能研究李其恒，胡晓红，马如进(同济大学桥梁工程系，上海200092)摘要：由于大跨度柔性装饰拱的结构刚度低，风荷载作用下诱发结构抖振应力循环变化幅度大，相比普通桥梁形式更容易引起疲劳。以海南某大桥装饰拱结构为例，根据桥址的风速记录气象资料，统计常态风速的变化规律，利用时域分析的方法，基于风速数值模拟进行抖振时程分析获得不同风速下拱结构的应力时程，采取雨流循环计数法进行统计分析得出应力幅的概率分布规律，并联系年风速的统计变化规律采用Miner线性累积损伤理论对结构进行疲劳性能评价。关键词：大跨装饰拱；风致抖振；风速统计；疲劳性

2、能评价O引言柔性结构对风荷载的敏感性较高，大跨度桥梁的风致振动主要包括抖振、颤振和涡激振动，其中，抖振是由空气紊流产生的随机强迫振动，经过结构的动力放大作用，有时会产生较大的振动响应。对于柔性结构，由于振动幅度较大，还会夹杂自激力的影响，使问题更加复杂。抖振虽然不会引起灾难性的结构破坏，但是过大的抖振响应在桥梁运营阶段会影响行人、车辆的舒适性，长期应力响应还会使结构局部构件发生疲劳损伤，降低桥梁使用寿命，增加维修费用。因此，正确评估抖振应力响应引起的大跨度桥梁构件损伤是十分重要的。国内外学者在此方面做的研究较少。其中，法国Normandy桥n3考虑假定平均风速符合Weil

3、bull分布，广义坐标响应根方差与速度成简单指数关系，应力循环幅值符合Rayleigh分布，考虑疲劳累积损伤，对Normandy斜拉桥进行了疲劳寿命分析；陈艾荣[2]从结构的可靠度概念出发，按照考虑疲劳荷载效应与疲劳抗力不定性综合影响后有关结构失效概率的指标一疲劳可靠度，基于应力循环符合Rayleigh分布的假定给出了一种结构的风致抖振疲劳分析与寿命估算的近似方法，并对虎门悬索桥的风致抖振疲劳寿命进行了估算，该方法便于实用，可供工程技术人员参考使用。但该方法仅为方法上的探索，一些基本指标的取值有待进一步研究；Masao等人[3]针对抖振和涡激振动的随机性，提出了一种数值随

4、机方法计算某一风向区域收稿日期：2017一02—27内的抖振或者涡激振动响应，并且采用Miner准则来计算桥梁疲劳损伤；陈礼忠[4]研究了风速、风向联合概率密度函数，考虑风向对大跨度桥梁主梁应力响应谱的影响，模拟出应力时程，用雨流计数法统计给出应力循环幅值的概率分布，进行疲劳寿命评估。根据国内外已有的研究成果，对于常规形式的桥梁钢结构而言，在设计寿命期内，风致抖振响应一般不会引起结构的疲劳破坏。但大跨度装饰拱结构由于自身轻、柔、阻尼小等原因，抖振响应大，有可能引起疲劳破坏，因此在设计阶段对结构的风致疲劳寿命进行预测，进而评估其可能造成的疲劳损伤显得尤为重要。目前，抖振响应

5、计算主要有频域和时域两种分析方法。频域分析只能计入一定数量的模态，得出的是响应值的统计特征，且只能进行线性分析；与频域分析相比，时域分析能较方便地考虑多种非线性因素，给出结构的振动响应历程。本文主要研究大跨度装饰拱的风致抖振疲劳性能，从时域角度对桥梁的抖振疲劳寿命进行估算，以海南某装饰拱桥为研究对象，通过对其抖振行为、疲劳应力进行计算分析，评价结构的抖振疲劳性能。1工程背景和主要参数海南某大桥主体受力结构为连续梁，跨径布置为(440)+(60+80+60)+(440)一520m，五跨装饰连拱跨径布置为80+80+200+80+80=520m，拱与主梁之间张拉装饰性吊杆。拱

6、肋采用薄壁钢箱梁结构，主跨拱采用提篮拱形式，上设七道风撑，增大刚度；边跨№．22017上冯么缘31◎s一一聊一一拱因矢高较低，考虑景观效果采用垂直布置形式，不设风撑。根据设计资料，该大桥桥位接近A类地表粗糙类型，设计基本风速取为37．6m／s。2结构有限元及模态分析利用ANSYS建立该桥的有限元模型，如图1所示，其中吊杆采用分段形式利用linklo单元模拟。模型动力特性分析的主要结果见表1。图l全桥有限元模型表1结构动力特性分析结果振型描述频率／Hz振型主拱一阶正对称侧弯0．6874丑e旺己㈨础蚴9圈e正主拱一阶反对称侧弯O．7619—，，．，r—、—，、。。。』dfiI

7、R、—h。∥—、．，。r。““—““、、W‘％，”⋯⋯”＼。“‘—““主拱一阶竖弯O．87l3，一。肺矿姗珊吣m矿蕊；#2拱一阶侧弯1．2349、'nnf’、⋯一．／’、h¨一I·u-_·w。—＼．-t-／—H’Ⅳr，。“叫础卜一⋯⋯—～划步7“‘衅1拱一阶侧弯1．4592、⋯}／、1nrn。、-·uL】1Juuwr。。、’rrnr。＼．⋯1·／吣抄。—。—一⋯⋯—、。—、她舻通过动力特性分析结果可以看出，结构的侧弯刚度明显小于竖弯刚度，边拱虽未设置横向风撑，但由于跨度和矢高均较小，侧弯刚度要大于主拱。另外，从竖弯振型上看，因