多風(fēng)地區(qū)大跨度斜拉橋的隨機(jī)振動(dòng)設(shè)計(jì)

多風(fēng)地區(qū)大跨度斜拉橋的隨機(jī)振動(dòng)設(shè)計(jì)

1結(jié)構(gòu)的等效靜陣風(fēng)作用應(yīng)用隨著橫跨橋的長(zhǎng)度的增加，斜拉橋的結(jié)構(gòu)剛性隨著規(guī)模的增大而減小，塔的高度非常大。橋梁和翻新塔通常位于空氣邊界層附近，風(fēng)速變化大，流速高，對(duì)風(fēng)荷載敏感。風(fēng)荷載是此類結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的重要因素。利用等效靜陣風(fēng)荷載來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng),是最簡(jiǎn)單有效的方法。某大跨徑斜拉橋位于鄂爾多斯地區(qū),是一座超寬橋面卵形斜塔組合梁特種斜拉橋。橋梁總長(zhǎng)180m,其中主跨長(zhǎng)120m,為鋼箱梁;附跨長(zhǎng)60m,為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主梁梁高為2.5m。橋梁總寬51.6m,屬于超寬橋面斜拉橋范疇。斜拉索采用整束擠壓的環(huán)氧噴涂鋼絞線,外包PE進(jìn)行防護(hù),采用雙索面扇形布置。針對(duì)該橋成橋狀態(tài)進(jìn)行了不同風(fēng)偏角下的等效靜陣風(fēng)荷載分析,最后得出結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)靜陣風(fēng)荷載響應(yīng),為橋梁設(shè)計(jì)提供依據(jù)。2確定基本結(jié)構(gòu)并計(jì)算場(chǎng)景2.1基本風(fēng)速,國(guó)家風(fēng)速根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/TD60-01-2004),該地區(qū)的基本風(fēng)速,即離地面(水面)10m高度處10min平均年最大風(fēng)速為V2.2設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定和該地區(qū)氣象局風(fēng)速、風(fēng)向統(tǒng)計(jì)資料分析,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速確定如式(1)式中:Z表示離開(kāi)水面的高度;Z2.3配置基準(zhǔn)式中:G斜拉索和主塔根據(jù)各加載點(diǎn)離水面的高度計(jì)算各加載點(diǎn)的相應(yīng)風(fēng)速。2.4風(fēng)荷載的計(jì)算根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/TD60-01-2004),斜拉橋的斜拉索的阻力系數(shù)取為0.8。主梁的三分力系數(shù)取0°攻角進(jìn)行風(fēng)荷載計(jì)算。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,在0°風(fēng)攻角成橋狀態(tài)體軸下的氣動(dòng)阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)為0.7408、-0.0897和0.0126。2.5計(jì)算噪聲在進(jìn)行斜風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載響應(yīng)分析時(shí),根據(jù)橋塔阻力系數(shù)的CFD計(jì)算結(jié)果,選取β=0°和β=90°作為計(jì)算風(fēng)偏角,如圖1所示。3關(guān)鍵斷面風(fēng)荷載響應(yīng)選擇如圖2所示計(jì)算斷面作為風(fēng)荷載響應(yīng)控制斷面,針對(duì)每一計(jì)算工況分別給出對(duì)應(yīng)各計(jì)算斷面的風(fēng)荷載響應(yīng)。各關(guān)鍵斷面的坐標(biāo)見(jiàn)表1,其中X是沿順橋向的坐標(biāo)軸;Y是沿豎向的坐標(biāo)軸;Z是沿橫橋向的坐標(biāo)軸。4風(fēng)負(fù)荷計(jì)算4.1橋橋風(fēng)荷載計(jì)算主梁在斜風(fēng)作用下,將風(fēng)速分解為順橋向和垂直于橋向兩個(gè)方向的風(fēng)速,計(jì)算對(duì)應(yīng)順橋向和橫橋向風(fēng)荷載,同時(shí)作用到有限元模型上。(1)順橋向風(fēng)速部分,風(fēng)荷載計(jì)算如式(3)(2)橫橋向風(fēng)速部分,風(fēng)荷載計(jì)算如式(4)豎向力:力矩:式中:V4.2橋塔風(fēng)荷載計(jì)算(1)順橋向風(fēng)速部分,風(fēng)荷載計(jì)算如式(7)(2)橫橋向風(fēng)速部分,風(fēng)荷載計(jì)算如式(8)式中:V以上得出的是有限元模型中每個(gè)橋塔單元上作用的均布力靜陣風(fēng)荷載。4.3橋向風(fēng)荷載的考慮斜拉索在斜風(fēng)作用下,將風(fēng)速分解為順橋向和垂直于橋向兩個(gè)方向的風(fēng)速,然后分別計(jì)算對(duì)應(yīng)順橋向和橫橋向的風(fēng)荷載,同時(shí)作用到計(jì)算模型。(1)順橋向風(fēng)速部分,風(fēng)荷載計(jì)算如式(9)(2)橫橋向風(fēng)速部分,風(fēng)荷載計(jì)算如式(10)式中:V斜拉索的順橋向阻力系數(shù)以及橫橋向阻力系數(shù)按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》取值,都取0.8。4.4各計(jì)算工況的風(fēng)荷載響應(yīng)結(jié)果本部分針對(duì)成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了靜陣風(fēng)荷載響應(yīng)。不同構(gòu)件單元坐標(biāo)系中單元坐標(biāo)軸在整體坐標(biāo)系下的方向見(jiàn)表2,對(duì)應(yīng)的各計(jì)算工況的風(fēng)荷載響應(yīng)結(jié)果見(jiàn)表3和表4。5等效靜陣風(fēng)荷載的應(yīng)用該橋已于2011年6月建成通車,抗風(fēng)效果良好。大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性,往往對(duì)風(fēng)荷載十分敏感。然而采用