風(fēng)障對(duì)大跨度懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響.pdf

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1、安徽建筑2014年第6期(總200期)風(fēng)障對(duì)大跨度懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響InfluenceofAerostaticsStabilityforSuspensionBridgesbyWindbreak杜飛(中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北武漢430010)■■■——一l●—●—●一摘要：以某大跨懸索橋?yàn)閷?duì)象，基于有無(wú)風(fēng)障風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)獲得的加5781650485仨-===勁粱三分力系數(shù)，進(jìn)行非線性靜風(fēng)穩(wěn)定對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)風(fēng)障(透風(fēng)率■■_50％)不會(huì)降低大跨度懸索橋的靜風(fēng)穩(wěn)定性，在某種程度上抑制了靜風(fēng)失穩(wěn)，尤其是在負(fù)攻角和零攻角時(shí)。在相同風(fēng)速下，有風(fēng)障時(shí)主梁跨圖1某懸索橋立面圖(

2、單位：mm)中橫向位移大于無(wú)風(fēng)障時(shí)主粱跨中橫向位移，這是由于在很大的攻角范圍內(nèi)，有風(fēng)障時(shí)阻力系數(shù)大于無(wú)風(fēng)障時(shí)阻力系數(shù)。關(guān)鍵詞：風(fēng)障；懸索橋；三分力系數(shù)；靜風(fēng)穩(wěn)定中圖分類號(hào)：U448．25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1007—7359(2014)06—0099—03O前言目前世界橋梁工程步人了建設(shè)跨海連島工程的新時(shí)期，已有且將有多座大跨度橋梁建于強(qiáng)(臺(tái))風(fēng)多發(fā)地區(qū)。強(qiáng)(臺(tái))風(fēng)會(huì)對(duì)交橋面行車安全性和舒適性產(chǎn)生不利影響。作為改善橋面行車通工風(fēng)環(huán)境的主要手段，風(fēng)障被廣泛采用，如中國(guó)杭州灣大橋、香港程圖2有限元模型圖青馬大橋、法國(guó)Millau橋、英國(guó)Severn懸索橋、QueenElizabet

3、h研二橋和Sevem二橋等【喲加設(shè)了風(fēng)障。目前關(guān)于風(fēng)障的研究主究與要集中在風(fēng)障對(duì)橋面行車風(fēng)環(huán)境改善效果的影響。Smitht~等研應(yīng)究了風(fēng)障空隙率與擋風(fēng)效果的關(guān)系。陳曉冬【1]、Charuvisita[~等對(duì)用橋塔區(qū)局部風(fēng)障的擋風(fēng)效果進(jìn)行了深入研究。僅有少量文獻(xiàn)涉及風(fēng)障對(duì)大跨度橋梁抗風(fēng)性能的影響。Smith等四認(rèn)為風(fēng)障對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)帶來(lái)了非常大的氣動(dòng)阻力荷載，并且推測(cè)可能引起橋梁靜力動(dòng)力穩(wěn)定性的下降。Ostenfeld通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)證明透風(fēng)率在三40％～50％之間的風(fēng)障既能夠提供足夠的擋風(fēng)效率，又限制了分力氣動(dòng)阻力的增幅和穩(wěn)定性的下降。Reinhold等f(wàn)8】在丹麥大海帶系數(shù)橋風(fēng)洞試驗(yàn)研究

4、中提出的風(fēng)障措施最后因抗風(fēng)穩(wěn)定性問(wèn)題而未被采用。為了研究風(fēng)障對(duì)大跨度懸索橋靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響，本文以某大跨懸索橋?yàn)檠芯勘尘埃陲L(fēng)洞試驗(yàn)獲得的主梁靜力三分力一l5—1O一5O51015系數(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)比研究了透風(fēng)率50％的風(fēng)障靜風(fēng)穩(wěn)定性的影攻角(度)圖3靜力三分力系數(shù)響。由于該橋采用分體雙箱粱，對(duì)其建立有限元模型時(shí)采用雙主梁模型，其中，加勁梁、橋塔用三維梁?jiǎn)卧M，主纜和吊桿1工程概況及計(jì)算模型模擬為只承受拉力的桿單元，并計(jì)入主纜和吊桿的初始應(yīng)變。由于主纜單元?jiǎng)澐州^細(xì)，不必考慮其垂度效應(yīng)影響。為了便于某懸索橋跨徑布置為578m+1650m+485m=2713m，如圖l施加風(fēng)荷載和提取主

5、梁扭轉(zhuǎn)位移，在加勁梁形心處增設(shè)一道虛所示。加勁梁斷面采用全寬36m的分體雙箱梁，中間開(kāi)槽寬度擬主梁。有限元模型如圖2所示。為6m，梁高3．5m。鋼筋混凝土橋塔塔柱采用矩形凹角斷面，塔圖3為風(fēng)洞試驗(yàn)中測(cè)得的成橋狀態(tài)風(fēng)軸加勁梁斷面靜力高約為200m，橋面以上部分塔高165m。該橋位于亞熱帶季風(fēng)安三分力系數(shù)，試驗(yàn)中采用的風(fēng)障對(duì)應(yīng)實(shí)橋高度是3m，透風(fēng)率為性海洋氣候區(qū)域，橋址處基本風(fēng)速為41．1rrds，成橋狀態(tài)橋面基50％徽準(zhǔn)風(fēng)速高達(dá)55．14m／s。建2分析原理及方法筑收稿日期：2014-11-28作者簡(jiǎn)介：杜飛(1982-)，男，湖北十堰人，畢業(yè)于華中科技大學(xué)，碩士；工程師，主要從事道

6、路與橋梁設(shè)計(jì)工作?？紤]到結(jié)構(gòu)的變形，靜力三分力系數(shù)可描述為有效風(fēng)攻角一2014年第6期(總200期)安徽建筑a的函數(shù)，而有效風(fēng)攻角。是初始風(fēng)攻角與由靜風(fēng)荷載引起的加勁梁扭轉(zhuǎn)變形產(chǎn)生的附加攻角0之和㈣。由于加勁梁扭轉(zhuǎn)變形通常沿橋跨方向是雖變化的，因而作用在加勁梁上的靜力三分力也是空間變形的函數(shù)。要考慮靜風(fēng)作用下的非線性影響，最重要的問(wèn)題是要決定橫向非線性變形及空氣靜力引起的橋梁結(jié)構(gòu)變形狀態(tài)?】?？紤]空氣位靜力非線性影響的結(jié)構(gòu)增量迭代靜力平衡方程為：移＼詈[K{6j1{}={△)}(1)式中：IK{6}』為結(jié)構(gòu)的切線剛度矩陣；{△6}為結(jié)構(gòu)位移增量向量；{△．P)}為靜風(fēng)j分力荷載增量

7、向量。采用有限元數(shù)值計(jì)算模型，將結(jié)構(gòu)恒載和靜風(fēng)荷載同時(shí)作用于計(jì)算模型上，采0姍406O絢lo0l2oⅡ用變形全過(guò)程跟蹤計(jì)算法，在靜風(fēng)荷載隨風(fēng)速不斷增長(zhǎng)的計(jì)算m唾：}條件下，綜合考慮了結(jié)構(gòu)自身非線性和靜風(fēng)荷載非線性，采用(a)橫向位移內(nèi)增量與外增量結(jié)合的迭代方法求解方程(1)，計(jì)算獲得結(jié)構(gòu)在2·0各級(jí)風(fēng)速下的位移響應(yīng)。l·53計(jì)算結(jié)果及分析豎1·O向大氣邊界層中強(qiáng)風(fēng)的攻角可能有一3?！?3。范圍的微小變化s191，因此分別選取初始攻角為一3。、0。和+3。，以結(jié)構(gòu)只承受