基于ANSYS 的斜拉桥抖振性能时域分析

张四国　张一卓　闫　旭

(天津市市政工程设计研究院，天津　300051)



·桥梁·隧道·

基于ANSYS 的斜拉桥抖振性能时域分析

张四国张一卓闫旭

(天津市市政工程设计研究院，天津300051)

摘要:基于有限元法和随机振动的相关知识，利用ANSYS有限元软件，建立了某拟建斜拉桥的仿真模型，进行了抖振抗风性能分析，得到了斜拉桥主梁和桥塔在顺桥向及横桥向时域风场作用下的振动响应，评价了桥梁的抗风性能，保证了桥梁的安全性、适用性和耐久性。

关键词:有限元，斜拉桥，抖振，时域分析

颤振、驰振、抖振和涡振是桥梁在不定常风场作用下发生振动的四种主要形态，其中抖振是桥梁在大气紊流作用下发生的一种随机的强迫振动，在较低风速下也能发生，虽然幅度有限，不至于造成灾难性后果，但能够增大桥梁结构变形，造成结构疲劳，从而威胁行车舒适性和施工安全，减少桥梁的使用寿命，因此，抖振分析是桥梁设计中的重要环节［1-3］。对于柔性较强、截面复杂、跨度较大的桥梁，气动稳定性十分复杂，大多需要借助风洞试验精确得到三分力系数，并建立相应的模型进行动力响应分析，以确定桥梁结构的抗风性能是否满足要求，初步设计时，对于简单截面桥梁，可依据相应规范［4］进行简单的数值模拟。本文即利用ANSYS有限元软件对拟建某斜拉桥的抖振抗风性能进行了数值模拟分析和评价。

1　风荷载数值模拟

空间中任意点的脉动风速时程一般认为是平稳的高斯过程，采用谐波合成法［5，6］可以根据风功率谱密度函数模拟脉动风速时程曲线，本工程所在地桥面处的设计风速取为vd1=53．1 m/s，塔顶处设计风速为vd2=60．6 m/s，时程总长t=819．2 s，时间步长t=0．05 s，截止频率取10 Hz，频率范围等分数N=4 096，则在Matlab中生成的桥面处节点、桥塔顶节点的脉动风速时程曲线见图1。

图1　节点脉动风速时程曲线

2　有限元建模

如图2所示为跨度60 m+3×100 m+60 m的五跨斜拉桥结构示意图，由一根主梁和四个桥塔通过斜拉索连接而成，每个桥塔由对称布置的四片不同空间角度的拱环组成，拱环之间也通过拉索连接传力。为研究该斜拉桥的风振性能，在主梁上选取98个点，每个桥塔选取68个点作为风力加载节点。

图2　风荷载加载点位置示意图（单位：cm）

在ANSYS建模过程中，混凝土主梁、钢桥塔和桥墩分别用三维空间梁单元Beam188进行模拟，斜拉索采用三维空间线性杆单元Link8进行离散，斜拉索、钢桥塔与主梁的刚性连接通过刚臂(弹性模量无穷大，质量为零的Beam188单元)实现;通过改变Link8单元的实常数施加初应变的方法考虑斜拉索的初拉力;耦合支座处主梁和桥墩相应节点的UX，UY和UZ平动自由度模拟支座效应，约束主梁绕纵轴的扭转自由度和桥墩最下端节点的所有自由度。ANSYS中该桥有限元模型如图3所示，全桥共划分为692个节点、805个单元。

图3　有限元模型示意图

3　分析结果

选取主梁跨中点49、塔2塔顶上点34，分别给出了它们75 s内的横桥向风、顺桥向风作用下的位移和加速度时程曲线，如图4～图7所示。

表1　横风荷载作用下控制点顺风向振动响应

表1给出了各控制点在横风荷载作用下的顺风向的位移平

图4　横桥向风作用下加载点顺风向位移时程曲线

图5　横桥向风作用下加载点顺风向加速度时程曲线

图6　顺桥向风作用下加载点顺风向位移时程曲线

图7　顺桥向风作用下加载点顺风向加速度时程曲线

表2给出了各控制点在顺风荷载作用下的顺风向的位移平均值和加速度均方差。

表2　顺风荷载作用下控制点顺风向振动响应

4　对抖振分析结果的评价

4．1对结构安全性的影响

规范［7］中规定汽车荷载所引起的位移限值为1/600L，从分析结果可以看出，主梁在风致抖振下位移值不到3 mm，远小于对类似条件下的位移限值。风致抖振下桥塔的横桥向、顺桥向位移均方根值均较小，桥塔刚度足够。风致抖振下桥塔位移响应最大值约为均方根值的2倍～3倍，应考虑脉动风对结构的影响。桥塔根部的抖振应力最大值为35．4 MPa，桥塔应力仍能满足要求。

4．2对行人舒适度的影响

行人对振动的感觉及反应可用狄克曼指标K来衡量［8］。狄克曼指标K又称振动敏感度，狄克曼指标的评价标准见表3。

表3　狄克曼指标的评价标准

根据风致抖振时程分析结果计算得出主梁的狄克曼指标为9．5，属于行人“能忍受任意长时间振动”的区域。

5　结语

本文建立了某五跨斜拉桥的全桥有限元模型，基于谱分析的相关知识利用脉动风谱密度曲线在Matlab中生成了顺桥向和横桥向的风速时程曲线，在ANSYS中进行了时域抖振分析，得到了参考节点的位移、速度和加速度响应。分析结果表明:斜拉桥的刚度足够，在风荷载下产生的位移满足规范要求;桥塔根部最大应力在容许应力之内，材料强度满足要求;风致振动下的狄克曼指标位于行人“能忍受任意长时间振动”的区域，行车舒适性满足要求。

参考文献:

［1］程兆君．浅谈桥梁抗风［J］．商品储运与养护，2008，30(4): 96-97．

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［3］胡亮，李黎，彭元诚，等．大跨桥梁抖振时域分析的程序化方法［J］．中国公路学报，2006，19(6):59-64．

［4］JTG/T D60—01—2004，公路桥梁抗风设计规范［S］．

［5］ 杨咏漪．大跨度桥梁风致抖振疲劳研究［D］．成都:西南交通大学博士学位论文，2003．

［6］李永乐，廖海黎，强士中．考虑桥塔风效应的斜拉桥时域抖振分析［J］．空气动力学学报，2005，23(2):228-233．

［7］JTG D62—2004，公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范［S］．

［8］叶方谦，余利华．大跨度预应力混凝土桥施工应力监测［J］．交通科技，2004(4):1-4．

中图分类号:U441

文献标识码:A

文章编号:1009-6825(2016)17-0162-02

收稿日期:2016-04-01

作者简介:张四国(1973-)，男，高级工程师;张一卓(1979-)，男，工程师;闫旭(1988-)，男，硕士均值和加速度均方差。

The time domain analysis of the cable-stayed bridge about buffeting performance based on ANSYS

Zhang SiguoZhang YizhuoYan Xu
(Tianjin Municipal Engineering Design＆Research Institute，Tianjin 300051，China)

Abstract:Based on the knowledge of FEM and random vibration，a simulation model of a building cable-stayed bridge about the buffeting performance was built using ANSYS．The lateral and longitudinal results of the beam and tower about the buffeting response under the influence of time domain wind load were obtained．The performance against wind of the cable-stayed bridge was evaluated according to the results so that the safety，applicability and durability can be assured．

Key words:FEM，cable-stayed bridge，buffeting performance，time domain analysis