某悬索桥抗风性能初步分析

胡 航，吕 龙

(西南交通大学，四川成都610031)

在悬索桥抗风设计中，动力稳定性问题(主要是颤振)是一个重要的问题。随着桥梁跨径的不断增长，颤振稳定性再次成为设计和建造大跨度缆索承重体系的桥梁中一个必须认真考虑的问题。而颤振临界风速则是衡量桥梁颤振稳定性的重要指标［1］。

该桥是目前西部地区在建的缆索式公路桥，全长为830m，其中主跨538m。主梁采用钢桁梁结构，其中高度4.5m，宽度28m。所以对于这种长而柔的桥跨结构，设计要求对它的抗风性能进行可靠分析［3］。

1 结构动力特性分析

1.1 结构计算模型

运用大型通用有限元程序ANSYS 建立该悬索桥动力分析模型，主梁模型采用最为常用的单梁式模型，主梁、桥塔及桩基础单元选用空间梁单元BEAM44，主梁与桥塔下横梁之间的纵向弹性索及拉索用空间杆单元LINK8来离散。主梁采用钢桁结构，等效刚度取20 GPa，泊松比0.3;主塔采用C50混凝土和HRB335钢筋，等效刚度取34.5 GPa，泊松比取0.2;主缆和吊杆等效刚度均取210 GPa，泊松比取0.3。对钢桁梁悬索桥进行动力分析时主桁、上下平联、横梁、主塔均采用梁单元，桥面系及二期恒载的质量等效折算给主桁上弦和横梁。成桥状态如图1。

图1 成桥状态

1.2 结构动力特性分析结果

该悬索桥成桥状态下，桥梁结构一阶振型表现为主梁一阶对称侧弯，二阶振型表现为主梁纵飘。成桥状态动力特性见表1(图2～图11)。

表1 成桥状态动力特性

图2 第1阶 主梁一阶对称侧弯

3 桥梁结构抗风初步分析

3.1 基本参数

本桥位桥面高度处设计基准风速暂取为34.8m/s。

图3 第2阶 主梁纵飘

图4 第3阶 主梁一阶反对称竖弯

图5 第4阶 主梁一阶对称竖弯

图6 第5阶 主梁二阶对称竖弯

图7 第6阶 主梁一阶反对称侧弯

图8 第7阶 主梁二阶反对称竖弯

图9 第8阶 主梁一阶对称扭转

图10 第9阶 主梁一阶反对称扭转

图11 第10阶 主缆振动为主

3.1.1 基本风速

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JPG/T D60－01－2004)［2］中的全国基本风压图，本桥所在地区的基本风压为400 Pa(标准高度20m，平均时距10min，重现期100年)，并查出相应的基本风速为:V10=25.8m/s。

3.1.2 设计基准风速Vd

由桥面经高度修正后，横桥向设计基准风速:Vd=34.8m/s。

3.1.3 成桥状态颤振检验风速［Vcr］

参考《公路桥梁抗风设计规范》(JPG/T D60－01－2004)［2］，横桥向按D类地表考虑风速脉动影响及水平相关特性的无量纲修正系数μf=1.38，并取综合安全系数 K=1.2，得到成桥状态下大桥颤振检验风速为:

3.2 桥梁结构抗风初步分析

利用ANSYS软件进行模态分析，所得结果见表2。

表2 模态分析结果

各项计算参数见表3

表3 计算参数

颤振临界风速［2］:

4 结论

(1)本桥第一振型是主梁一阶对称侧弯，频率是0.115，属柔性结构。

(2)前十二阶振动频率均小于0.1，说明该桥柔度较大，自振周期长，固有频率小。

(3)悬索桥方案成桥状态颤振临界风速Vcr=67.18m/s大于成桥状态颤振检验风速［Vcr］=57.6m/s，初步估算能满足要求。

(4)桥梁结构的抗风性能需进一步通过风洞试验考察，其中全桥风洞试验模型模态测试中的一阶自振频率取0.188。式中:0.188为实桥动力特性中主梁一阶反对称竖弯，参见表1为全桥气动弹性模型的频率相似系数;n为缩尺比。

［1］ 廖海黎．公路大桥扭转发散临界风速计算［J］．公路，1995(1)

［2］ JPG/TD60－01－2004桥梁抗风设计规范［S］