南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼吊桿兩端連接渦振疲勞性能的仿真分析

方 興，白 玲，劉 磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼吊桿兩端連接渦振疲勞性能的仿真分析

方 興，白 玲，劉 磊

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院 鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，北京 100081)

建立了南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主橋鋼桁拱吊桿整體及兩端連接節(jié)點(diǎn)局部的有限元模型，分別對(duì)H形和切角矩形兩種截面吊桿在渦振作用下節(jié)點(diǎn)處構(gòu)造細(xì)節(jié)的疲勞性能進(jìn)行了仿真分析，研究了不同截面形式吊桿兩端節(jié)點(diǎn)的疲勞性能。研究結(jié)果表明鋼拱橋吊桿渦振時(shí)，其兩端連接節(jié)點(diǎn)極易出現(xiàn)疲勞損傷甚至破壞，且一旦發(fā)生渦振，切角矩形截面吊桿端節(jié)點(diǎn)比H形截面吊桿端節(jié)點(diǎn)更易出現(xiàn)疲勞破壞。

拱橋 鋼吊桿 渦振 疲勞

鋼系桿拱橋、鋼中承式和下承式拱橋是跨長(zhǎng)100～300 m左右范圍內(nèi)最常用的橋式，因此，目前已建和在建的鋼拱橋數(shù)量較多。但是，工程實(shí)踐表明，在陣風(fēng)和低風(fēng)速下，這類橋梁的垂直鋼吊桿易發(fā)生渦激振動(dòng)，雖然渦振不會(huì)象弛振一樣造成災(zāi)難性破壞，但它的發(fā)生具有風(fēng)速低、頻度大、兼有自激和強(qiáng)迫振動(dòng)特性，會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)造成疲勞損傷，導(dǎo)致上下連接發(fā)生疲勞裂紋甚至斷裂。如美國(guó)的 Tacony Palmyra橋和 Commodore Barry 橋［1］，日本的向島橋和馬下橋［2］均發(fā)生了吊桿渦振疲勞斷裂。我國(guó)廣東東平大橋在竣工前發(fā)生吊桿渦振致使13根吊桿在上下端高強(qiáng)螺栓連接處發(fā)生疲勞裂紋。因此，研究大跨度鋼拱橋吊桿在渦振下兩端連接的疲勞性能是關(guān)系到橋梁結(jié)構(gòu)安全的重大問題。

本文以京滬高速鐵路南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋主橋?yàn)槔?，分析其主橋鋼桁拱吊桿渦振時(shí)兩端連接節(jié)點(diǎn)處的疲勞性能，研究思路如下：①利用MIDAS.Civil建立最長(zhǎng)吊桿整體模型，把該吊桿風(fēng)振仿真分析所得的渦振振幅最大時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的吊桿振幅時(shí)程作為吊桿所受的外荷載，計(jì)算吊桿兩端連接處的內(nèi)力時(shí)程，并把這一內(nèi)力時(shí)程作為疲勞荷載;②利用MIDAS.FEA建立吊桿與主梁連接節(jié)點(diǎn)的局部模型，將上一步所得疲勞荷載施加到局部模型上，得到該節(jié)點(diǎn)各個(gè)位置處的疲勞應(yīng)力歷程和疲勞應(yīng)力譜;③定義連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造細(xì)節(jié)的S—N曲線，根據(jù)Miner線性累計(jì)損傷法則計(jì)算其疲勞損傷度或疲勞壽命。

1 橋梁概況

南京大勝關(guān)大橋主橋跨度布置為(108+192+2×336+192+108)m，雙聯(lián)拱連續(xù)鋼桁梁位于主橋4#～10#墩間，該聯(lián)鋼桁梁由三片主桁架組成，每?jī)善麒扉g的中心距均為15.0 m，在兩邊桁的外側(cè)，各外挑5.2 m的懸臂托架，結(jié)構(gòu)總寬40.4 m。全聯(lián)桁架的兩端240 m為平弦桁架，高16.0 m，節(jié)間長(zhǎng)度12.0 m的N形桁式。兩個(gè)336 m的主跨為鋼桁拱連續(xù)梁，拱的矢高84.2 m，矢跨比約1/4，拱頂桁高12.0 m，吊桿最大長(zhǎng)度近60.0 m。鐵路橋面設(shè)在平弦的下弦和拱桁的系桿上。三個(gè)主墩的兩側(cè)各60 m范圍內(nèi)為15 m節(jié)間，其余的節(jié)間長(zhǎng)均為12 m，豎桿呈豎直設(shè)置。大勝關(guān)大橋的總體布置立面見圖1。

圖1 南京大勝關(guān)大橋主橋立面(單位：cm)

2 有限元模型

首先利用MIDAS.Civil建立大勝關(guān)大橋鋼桁拱最長(zhǎng)吊桿整體有限元模型，見圖2。用來計(jì)算最長(zhǎng)吊桿在風(fēng)振振幅時(shí)程作用下吊桿兩端連接處的內(nèi)力時(shí)程。為避免邊界條件的影響，該有限元模型建立最長(zhǎng)吊桿兩側(cè)各4個(gè)節(jié)間(共8個(gè)節(jié)間)的主橋結(jié)構(gòu)。吊桿截面形式選擇兩種，一種是最終圖紙選用的切角矩形截面吊桿，另外一種是方案比選階段采用過的H形截面吊桿，截面詳細(xì)尺寸見圖3［3］。模型采用空間梁?jiǎn)卧?，材料為Q370鋼，邊界條件為在主梁和主拱端部各節(jié)點(diǎn)固結(jié)，約束所有平移和轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。

圖2 吊桿整體有限元模型

圖3 吊桿截面尺寸(單位：cm)

然后，利用MIDAS.FEA建立吊桿與主桁下弦桿連接節(jié)點(diǎn)的局部詳細(xì)有限元模型，見圖4。模型全部采用板單元，材料為Q370鋼。局部模型中吊桿高度8.5 m(吊桿上端面至下弦桿頂面距離)，下弦桿長(zhǎng)7.0 m，模型在下弦端部全部固結(jié)。

圖4 吊桿與主桁下弦桿連接節(jié)點(diǎn)的局部模型

3 計(jì)算荷載及荷載組合

吊桿渦振特性與風(fēng)的來流方向密切相關(guān)，這里不作全面仿真，重點(diǎn)對(duì)順橋向來風(fēng)橫橋渦振時(shí)吊桿端節(jié)點(diǎn)的疲勞特性進(jìn)行仿真分析。

利用文獻(xiàn)［4］仿真分析結(jié)果，取吊桿順橋向來風(fēng)橫橋向渦振時(shí)振幅響應(yīng)最大時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的位移時(shí)程作為強(qiáng)制位移，施加到吊桿高度一半處。另外，根據(jù)吊桿渦振方向上的1階自振振型，把吊桿高度一半處的位移時(shí)程按1階振型模態(tài)比例縮小再施加到吊桿高度1/4和3/4處。文獻(xiàn)［4］給出的吊桿高度一半處橫橋向渦振位移時(shí)程曲線見圖5。

圖5 吊桿振幅響應(yīng)最大時(shí)對(duì)應(yīng)風(fēng)速下的位移時(shí)程曲線

4 仿真結(jié)果及分析

利用MIDAS.FEA對(duì)吊桿局部節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行疲勞分析，根據(jù)Miner線形損傷累計(jì)法則計(jì)算一次荷載歷程下結(jié)構(gòu)的疲勞損傷，計(jì)算結(jié)果如下(以下節(jié)點(diǎn)疲勞損傷云圖中損傷度單位均為%)。

4.1 H形吊桿端部節(jié)點(diǎn)疲勞性能仿真

初步分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的部位位于靠近拼接板的吊桿翼緣，因此應(yīng)力疲勞損傷計(jì)算選用的S—N曲線，S是應(yīng)力幅，N為作用次數(shù)，曲線為《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.2.7—2構(gòu)件或連接基本形式及疲勞容許應(yīng)力幅類別的第Ⅴ類：lgN+3lgσi=12.42，σi是應(yīng)力幅。此時(shí)，順橋向來風(fēng)橫橋向振動(dòng)時(shí)，一次荷載歷程下H形吊桿端部節(jié)點(diǎn)疲勞損傷見圖6。

圖6 H形吊桿連接節(jié)點(diǎn)疲勞損傷云圖

計(jì)算數(shù)據(jù)表明，H形截面吊桿端節(jié)點(diǎn)在順橋向來風(fēng)橫橋向振動(dòng)時(shí)最大疲勞損傷為1.1×10－4(%)，發(fā)生在拼接板與吊桿翼緣連接處的吊桿翼緣，即理論上經(jīng)9.1×105次計(jì)算的風(fēng)荷載作用(總時(shí)間約737 d)即達(dá)到疲勞破壞。

4.2 切角矩形吊桿端部節(jié)點(diǎn)疲勞性能仿真

初步分析結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大的部位位于靠近拼接板的吊桿翼緣，因此應(yīng)力疲勞損傷計(jì)算選用的S—N曲線為《鐵路橋梁鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》表3.2.7—2構(gòu)件或連接基本形式及疲勞容許應(yīng)力幅類別的第Ⅴ類：lgN+3lgσi=12.42。此時(shí)，順橋向來風(fēng)橫橋向振動(dòng)時(shí)，一次荷載歷程下切角矩形吊桿端部節(jié)點(diǎn)疲勞損傷見圖7。

計(jì)算數(shù)據(jù)表明，切角矩形截面吊桿端節(jié)點(diǎn)在順橋向來風(fēng)橫橋向振動(dòng)時(shí)的最大疲勞損傷為1.1×10－2(%)，發(fā)生在弧形節(jié)點(diǎn)板的拼接板與吊桿翼緣連接處的吊桿翼緣，即理論上經(jīng)9.0×103次計(jì)算的風(fēng)荷載作用(總時(shí)間約8.3 d)即達(dá)到疲勞破壞。

5 結(jié)論

南京大勝關(guān)長(zhǎng)江大橋鋼吊桿渦振時(shí)兩端連接節(jié)點(diǎn)疲勞性能的仿真分析表明，渦振時(shí)鋼吊桿兩端連接節(jié)點(diǎn)極易出現(xiàn)疲勞損傷甚至破壞。此外，文獻(xiàn)［4］的研究表明，與H形截面吊桿相比切角矩形截面吊桿發(fā)生渦振的鎖定風(fēng)速區(qū)間范圍較窄，在抗渦振上具有一定的優(yōu)勢(shì)，但必須注意的是本文仿真分析結(jié)果表明，切角矩形截面吊桿一旦發(fā)生渦振，其端節(jié)點(diǎn)比H形截面吊桿端節(jié)點(diǎn)更易出現(xiàn)疲勞破壞。因此，對(duì)兩種截面形式的吊桿，都必須采取有效的止振措施以防止渦振而引發(fā)的疲勞破壞。

［1］李永君.大跨度橋梁渦振二維計(jì)算模型及其試驗(yàn)研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2004.

［2］日本鋼結(jié)構(gòu)協(xié)會(huì)編.鋼構(gòu)造物疲勞設(shè)計(jì)指針及解說［M］.東京：技報(bào)堂出版社，1993.

［3］西南交通大學(xué)風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心.大勝關(guān)大橋吊桿減振制振氣動(dòng)力措施風(fēng)洞試驗(yàn)研究［R］.成都：西南交通大學(xué)，2006.

［4］中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心.鋼拱橋吊桿風(fēng)振的仿真分析及合理設(shè)計(jì)［R］.北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院鐵道科學(xué)技術(shù)研究發(fā)展中心，2009.

U441+.4

A

1003-1995(2011)03-0001-03

2010-08-20;

2010-12-25

方興(1980— )，男，江西萬年人，助理研究員，博士。

(責(zé)任審編 王 紅)