钢箱梁独塔斜拉桥抗风性能研究.pdf

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1、钢箱梁独塔斜拉桥抗风性能研究谭明伦，段爱忠2(1．青岛交通工程监理咨询有限公司，山东青岛266071；2．山东高速青岛公路有限公司，山东青岛266061)摘要：某钢箱梁独塔斜拉桥采用双索面形式，且该桥处于我国东南沿海的台风多发区，抗风稳定性是控制该桥设计和施工的主要因素。本文以该桥成桥状态的动力特性为基础，进行了主梁断面和桥塔断面气动力参数CFD数值计算，分析了该桥的静力扭转发散临界风速、涡激共振和颤振稳定性，最后，进行了风荷栽分析和风荷载响应计算。结果表明：该桥成桥状态均具有良好的抗风稳定性，运营

2、过程中出现抗风问题的几率不大。关键词：独塔斜拉桥；抗风性能；离散涡；风荷载；动力特性中图分类号：U441．2文献标识码：B某钢箱梁独塔斜拉桥位于我国东南沿海地区，地计，主梁梁高3．3m，桥塔采用钢筋混凝土花瓶形塔，处北回归线南缘，属南亚热带海洋性季风气候区，冬桥面以上塔高147m，如图1～图3所示。季冷风南下常形成5—7级偏北风，最大风力出现在33800—18000夏、秋台风季节，风力一般在7级左右，本区域受台风影响较大，最大风速达34wfs。该桥为双索面钢箱梁独塔斜拉桥。位于广州市市区，跨越珠江东

3、平水道，桥跨布置为338+72+56+图1主桥结构立面示意图52=518m；主梁宽36m，双向6车道高速公路标准设图2主梁标准横断面布置图该桥采用独柱式桥塔和双索面布置，结构整体抗1风参数扭刚度较传统斜拉桥有较大不同，而且钢箱梁斜拉桥结构阻尼低，同时桥位基础风速高，且位于台风按照交通部部颁标准《公路桥涵设计通用规范》影响区。因而，针对该桥成桥状态和合龙前的最不(JTJ021—89)，广州东沙特大桥处在800Pa等压线利施工状态，首先研究了桥址处的风参数，建立了上，根据《公路桥梁抗风设计规范》(以下简

4、称“抗桥梁的有限元模型，然后利用流体动力学的方法，风规范”)附表A，广州东沙特大桥桥址处100年一对主梁断面的三分力、气动导数和桥塔断面的三分遇的10min年平均最大风速为31．3m／s，该值大于根力进行了计算，在此基础上，进行了静力扭转发散据《公路桥涵设计通用规范》计算得到的基本风速临界风速、主梁涡激共振风速和颤振临界风速进行值29．9rn／s，因此偏安全地取31．3m／s作为桥址处了计算预测，最后，对主桥结构的风荷载和桥塔的的基本风速。静风稳定性进行了研究，以保证此桥的抗风安桥面高度大约为41．

5、6m，地表粗糙类别取B类。全性。根据抗风规范第3．2．5条，得到100年重现期的设计作者简介：谭明伦(1972一)，男，高级工程师，从事公路桥梁工程监理。2502013年7期(总第103期)此，东沙特大桥的静风稳定性满足要求。表2静风扭转稳定临界风速O0OO0OOOOO7654321O125风致振动分析对成桥状态进行了涡激共振和颤振稳定性研究，以保证桥梁风致振动的安全性。．6—4—20246攻角／。5．1成桥状态主梁涡激共振风速预测将CFD计算得到的主梁在不同风攻角下的升力图6主梁断面三分力系数随攻

6、角的变化系数时程进行谱分析可得到相应的卓越频率，该卓越模拟，所选取断面及周围流场如图7所示。频率对应于桥面或桥塔断面绕流流动的旋涡脱落频率。对于给爹定跫的断面形状，旋涡脱落频率随风速增大而增大，但旋涡脱落频率于主梁或主塔断面的特征尺度和风速组成的无量纲数S=fB／U，即Strouhal数，在不同的风速下基本不变，因此通过CFD数值分析得到Strouhal数后，根据Strouhal数即可预测实桥发生涡激共振的风速。根据气动力系数时程的谱分析所得到的Strouhal数(见图8)，按第一阶振形估算的竖向涡

7、激共振发生风速为19．0m／s，扭转涡激共振发生风速为34．2m／s，但实际发生与否还取决于结构的阻尼、来图7桥塔典型断面流场图流的紊流强度等因数。4静力扭转发散临界风速假定风速及气动扭矩系数一风攻角曲线的斜率沿桥跨方向保持常数。一般扭矩系数一风攻角曲线总体上呈现正斜率，因此，作用在主梁上的气动扭矩将随风攻角的增加而增加。在静风扭矩作用下，主梁的静风扭转角将使相对风攻角增加，从而使静风扭矩进一步增加。显然，静风扭矩的这种非线性特性削弱了桥梁的扭转刚度，当风速达到某一临界值时，桥梁结构图8升力系数时程

8、进行谱分析在静止空气中的模态刚度被负的气动模态扭转刚度5．2颤振稳定性分析K=一d／d抵消，桥梁将在静风作用下发生扭转失稳。根据结构动力特性的分析结果，选取主梁竖向和按照公路桥梁抗风设计规范规定，静力扭转发散扭转方向由单梁式模型所得基频及对应振型，将各方检验风速为桥面高度处设计基准风速的2倍，即案成桥状态等效为弯扭两自由度系统，然后根据2种60．4m／s。静力扭转发散临界风速按下式计算方法确定斜拉桥成桥状态的颤振临界风速：(1)根据《公路桥梁抗风设计规范》，由平板近雁