截面形式对大跨斜拉悬索协作体系桥梁抗风性能的影响

谢 佳 利

(四川省机场集团有限公司，四川 成都 610202)

1 概述

桥梁抗风性能研究是桥梁建设中的难题。结构的抗风性能受到结构几何外形、结构的刚度、阻力大小、扭弯频率比、密度等的影响[1]。大跨度桥梁截面形式多样，采用较多的是流线型闭合式箱梁和分离式双箱梁。其截面形状和尺寸直接影响了气动力参数，进而影响桥梁抗风性能。本文主要从结构的几何形状入手，探讨流线型闭合式箱梁和分离式双箱梁这两种常用截面在抗风性能上的不同表现，主要涉及静风荷载及颤振稳定性两大抗风问题。

以某特大跨海桥梁作为算例模型，为跨度组合378 m+1 408 m+378 m的地锚式斜拉—悬索协作体系，斜拉—悬索协作体系桥具有超大跨越能力，融合了悬索桥柔性缆索体系和斜拉桥拉索体系的特点，目前国内有学者就此类桥梁结构的基本力学性能进行过分析研究[2]，但尚无斜拉—悬索协作体系桥梁的抗风性能研究。

本文运用ANSYS软件进行数值分析，ANSYS是美国ANSYS公司研制的融合结构、流体、电场、磁场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件。ANSYS可简化复杂流体力学工程问题，可通过实体建模、网格划分、荷载施加及强大的后处理简化复杂流体动力学工程问题，实现结构非线性分析、动力分析、热分析等。

根据算例模型建立有限元模型(见图1)，分别赋予流线型闭合式箱梁和分离式双箱梁，截面形式如图2，图3所示，截面参数见表1。两种截面的高宽比比例相近，分析中赋予两种截面形式相同的宽度，对截面尺寸进行等比例放大或缩小。对比其不同风速下关键点风致内力和跨中挠度的变化曲线，以及两种截面形式下的颤振临界风速，对两种截面形式在大跨度桥梁抗风性能上的不同表现作出基本评价。

表1 流线型闭合式箱梁和分离式双箱梁截面参数

箱梁类型截面宽度B/m截面高度H/m竖向对称弯曲基频fb/Hz对称扭转基频ft/Hz流线型闭合式钢箱梁57.460.202 40.285 6分离式双箱梁363.510.217 60.308 3

2 风致内力对比分析

风对结构的静力作用是衡量结构抗风性能基本面，风轴坐标系下，桥梁断面的静风荷载一般由无量纲的三分力系数来表征[3]，分别为:

阻力系数:

(1)

升力系数:

(2)

扭矩系数:

(3)

本文选取桥梁在0°攻角下三分力系数进行风致内力计算，利用Fluent软件计算截面三分力系数，流线型闭合式箱梁的三分力系数，其中，0°攻角下的三分力系数分别为：CD=0.276，CL=-0.438，CM=-0.012；分离式双箱梁的三分力系数为：CD=0.820 7，CL=-0.011 1，CM=-0.015 7。将数据导入ANSYS建立有限元模型对比分析，得到在不同风速下桥梁关键点(塔底、支座、中跨1/8、中跨1/4、中跨3/8、跨中)内力及跨中挠度的变化趋势，如图4～图9所示。

内力分析数据对比显示，从水平分力随风速增长呈非线性增大，除支座处以外，其余部位分离式双箱梁水平分力大于流线型钢箱梁，竖向分力两者差别不大，随风速均略有增长，扭矩均随风速呈非线性增长，分离式双箱梁均大于流线型钢箱梁。所选取的部位上，均以扭矩起主导作用。对于跨中最大挠度，在低风速下，两者相差不大，随着风速的增加，闭合式钢箱梁截面产生的最大挠度增加速度更快，见图10，图11。

以竖向分力、水平分力、扭矩、跨中挠度四个参数对比，闭合式箱梁截面仅跨中挠度参数上劣于分离式双箱梁，且在高风速下，对应挠度数值均在可接受范围内，其余三个参数均表现更优，所以，对于大跨悬索桥，在风致内力上流线型钢箱梁截面的表现更加优越。

3 颤振

颤振是由弹性力、惯性力、阻尼力及自激气动力相互作用形成的一种气动弹性失稳现象[4]。在大跨度桥梁中颤振稳定性的评估成为抗风设计的关键，颤振稳定性主要通过确定结构的颤振临界风速来衡量。

在二维均匀流中桥面主梁单位长度上的自激气动力包括升力L和扭矩M，通常采用scanlan[5]提出的自激气动力计算表达式，即：

(4)

(5)

流线型扁平闭合式箱梁是弯扭耦合较为严重的耦合颤振，与理想薄板非常相似，图12是笔者采用二维单自由度强迫振动法运用FLUENT模拟风场并结合MATLAB计算得到的流线型闭合式箱梁颤振导数[6]，详细计算公式参见文献[6]；发生于分离式双箱梁的是竖向自由度参与较少的扭转形态颤振，风场模拟不能有效反映结构与风场之间的复杂作用，计算结果与风洞测试值出入很大，风洞试验得到的颤振导数如图13所示。

流线型闭合式箱梁计算模型的缩尺比例为1∶100，设计阻尼比取0.3%，运用状态空间法计算[7]在计算模型下得到的颤振临界风速为：Uf=73.36 m/s。采用分离式双箱梁截面的颤振导数进行计算，在相同跨径和相同结构下得到颤振临界风速为：Uf=77.19 m/s。

从颤振稳定性分析可以看出，分离式双箱梁截面形式下的颤振临界风速更高，表明在颤振稳定性上分离式双箱梁表现更优越。

4 结语

从以上计算结果可知，两种截面形式各有优势，流线型闭合式箱梁产生的静风荷载较小，在大跨度桥梁中可以有效控制截面内力；分离式双箱梁颤振稳定性较好，有效控制了大跨度桥梁的临界发散风速。在截面选择中，对于荷载较大的特大桥梁，如铁路货运桥梁，应优先考虑采用流线型闭合式箱梁截面来控制截面最大内力；对于地处风环境恶劣地区的特大桥梁，应优先考虑采用分离式双箱梁截面提高气动稳定性。斜拉—悬索协作体系提升了桥梁的跨越能力，研究可看出截面形式的选择显著影响桥梁抗风性能，后续研究中可增加截面形态，对截面形式进行更详细的抗风性能参数化对比分析，为寻求最优截面形式匹配方案提供依据。

参考文献：

[1] 何晗欣.桥梁抗震与抗风及其影响因素分析研究[D].西安：长安大学博士论文，2011.

[2] 韩立中.大跨度自锚式斜拉悬索桥分析方法与性能研究[D].大连：大连理工大学博士论文，2009.

[3] 陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[4] M. Matsumoto.Frequency characteristics in various flutter instabilities of bridge girders[J]. Wind Eng. Ind. Aerodyn,2002(90):1973-1980.

[5] E. Simiu, R. H. Scanlan.Wind Effects on Structures-An Introduction to Wind Engineering[M].Third Edition,1996.

[6] 庞 伟.基于FLUENT软件大跨度桥梁颤振导数识别[D].成都：西南交通大学土木工程学院，2007.

[7] 陈国芳.大跨度桥梁颤抖振分析[D].大连：大连理工大学土木工程学院，2011.