600m拱桥主梁截面抗风性能探究

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1、600m拱桥主梁截面抗风性能探究　　摘要：为研究600m拱桥各种截面的抗风性能，用ANSYS计算600m拱桥的动力特性参数，并用流体力学分析软件，对拱梁的不同断面形式进行数值风洞模拟，得到断面的三分力系数及气动导数。采用数值风洞模拟分析结果，进一步对该桥不同设计方案的颤振临界风速进行分析与计算，对该桥的抗风性能作出评价，验证设计方案的抗风稳定性。关键词：600m拱桥抗风性能数值风洞中图分类号：U445文献标识码：A1引言随着桥梁技术的飞速发展,拱桥的跨径也在不断刷新纪录,现在国内外已经出现了多座500m以上的拱桥。作为在跨径上可以和斜拉桥竞争的桥型，许多学者都在对超大跨径拱桥进行研究；当拱桥

2、的跨径达到600m级时，拱桥就将面临更多抗风稳定的问题。本文针对大跨径拱桥常用的主梁截面，研究在600m拱桥下各截面的抗风性能。2研究内容2.1主梁截面6通过收集国内外大跨径拱桥的截面信息，发现在大跨境拱桥中，通常会选用桁架梁、带风嘴的箱梁以及π型梁；这些截面形式不仅能满足拱桥的静力稳定性要求，而且能保证拱桥有良好的抗风稳定性。于是，在600m超长跨度拱桥上，试采用这三种截面形式，研究这三种截面的抗风性能。1）π型梁。主梁由4片π梁组成，梁高0，顶面宽12m,设置2%横坡。2）带风嘴箱梁。加劲梁采用带有抗风分流嘴的混凝土箱梁截面形式。箱梁标准梁高2.0m，顶面宽12m，设置2%双向横坡。3）

3、桁架。主梁采钢桁架，桁架标准梁高3.5m，顶面宽12m，设置2%双向横坡。2.2动力特性采用ANSYS大型结构有限元分析软件，计算600m拱桥的动力特性参数，得到该桥的固有频率和振型等。根据有限元动力特性计算结果，得出拱桥的自振特性。其中拱桥一阶侧弯、扭转及竖弯频率分别为0.14691、0.32298和0.3243；比较拱桥一阶同向侧弯频率、反对称扭转频率、反对称竖弯频率的大小，可知拱桥侧向刚度最弱，故最先出现同向侧弯变形。2.3桥梁三分力系数6三分力系数是桥梁风工程研究中的一项基本内容。根据获得的三分力系数，可求得作用在桥梁结构上的阻力、升力与扭矩，从而进一步分析桥梁结构在静风荷载作用下的

4、应力与位移，并进行静风稳定性分析。采用流体力学分析软件Fluent，对桥梁设计方案的不同断面形式进行了数值风洞模拟，得到了断面的三分力系数及气动导数。通过CFD数值模拟风洞试验测得风攻角为-5°—5°之间的桥梁静力三分力系数。π型梁结果绘于图1。图1π梁三分力系数带风嘴箱梁风攻角为-5°—5°静力三分力系数结果绘于图2。图2带风嘴箱梁三分力系数桁架风攻角为-5°—5°静力三分力系数结果绘于图3。图3桁架三分力系数2.4静风稳定性分析平均风的作用会使处于风场中的结构产生一定的静力变形，气流作用等同于一个静荷载，静力风荷载可能导致结构静力失稳，下面研究三种截面下，拱桥的静风稳定性。根据《公路桥梁

5、抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004）规定，悬索桥的横向屈曲临界风速应按下述公式1计算：（1）（2）其中，6根据规范给出的公式，代入各截面参数，可以计算出，三种截面的静力稳定临界风速如表1。表1三种截面的静力稳定临界风速（m/s）设计方案桁架风嘴箱截面π型截面静风稳定临界风速859.488.3142.52.5气动导数模拟在本文的研究过程中，采用基于动网格技术的气动导数计算方法。该方法就是为了适应计算区域的变化新发展出来的网格技术，而网格的生成和运动有其自己的方法和规律，它是通过拉伸、压缩网格或者增加、减少网格以及局部生成网格来适应计算区域的改变，进而完成移动边界下计算域内非定常流

6、场的模拟。对于进行气动导数提取的强迫振动试验中，节段模型作竖向运动和扭转运动，并且运动边界的位移相对网格尺寸过大，又因为桥梁外形的特点使得采用非结构网格比较合适。因此，应选用局部网格重组法作为进行大跨桥梁颤振分析的动网格更新方式。基于动网格技术，得到了三种截面的气动导数（A1~A4,H1~H4）的计算结果。2.6颤振临界风速采用数值风洞模拟分析结果，进一步对该桥不同设计方案的颤振临界风速进行了分析与计算，对该桥的抗风性能作出评价，验证设计方案的抗风稳定性。运用Scanlan方法求解颤振临界风速，用于计算二自由度结构颤振临界风速。6取各截面下拱桥的竖弯及扭转模态，基于2.5中各断面气动导数（A

7、1~A4，H1~H4）的数值模拟结果以及颤振临界风速的计算方法，得到了三个截面的颤振临界风速，结果如表2所示。表2清江特大桥四个初步设计方案的颤振临界风速（m/s）设计方案桁架风嘴箱截面π型截面颤振临界风速115891533结论1）根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/TD60-01-2004）规定，进行了600m拱桥的静力稳定临界风速的计算，计算结果表明桁架的静风稳定性最好，这是因为在静风荷载下，桁架的迎风