中央扣對(duì)人行懸索橋抗風(fēng)性能的改善

王宜航 周丹丹

摘 要：以國內(nèi)某山區(qū)人行懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象，針對(duì)其柔度大，抗風(fēng)性能差的特點(diǎn)，利用有限元軟件分析了增設(shè)中央扣以及不同中央扣布置方案對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果。研究結(jié)果表明：增設(shè)中央扣，提高了結(jié)構(gòu)整體剛度，而且不同類型的設(shè)置方式，對(duì)主梁約束作用不一樣，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的提高有所差異，剛性比柔性中央扣對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善更有利，其中，單聯(lián)剛性中央扣對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)最有利。

關(guān)鍵詞：人行懸索橋;柔度大;中央扣;抗風(fēng)性能

中圖分類號(hào)：U448.25文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

本文結(jié)合工程實(shí)例，借助有限元分析軟件建立了空間結(jié)構(gòu)模型，然后在主跨跨中分別布置單聯(lián)、三聯(lián)、五聯(lián)柔性和剛性中央扣，通過研究設(shè)置中央扣對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)剛度的改變，來分析中央扣對(duì)所研究的人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果，同時(shí)對(duì)比了柔性和剛性中央扣及其布置方式在改善效果方面存在的差異性。

1 研究背景

人行懸索橋自重輕、結(jié)構(gòu)柔，抗風(fēng)穩(wěn)定性差，在極端大風(fēng)環(huán)境中容易發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。近年來，國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)懸索橋抗風(fēng)措施進(jìn)行了大量研究，并取得了一些成果。白樺等[1]通過數(shù)值計(jì)算和風(fēng)洞試驗(yàn)研究了45°抗風(fēng)纜、一聯(lián)中央扣、降低矢跨比等抗風(fēng)措施對(duì)國內(nèi)某人行懸索橋抗風(fēng)性能的改善效果。葛耀君[2]通過有限元分析和節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)探討了潤揚(yáng)長江大橋和舟山西堠門大橋的顫振性能及其控制措施。何晗欣等[3]通過有限元計(jì)算和風(fēng)洞模型試驗(yàn)，分別研究了抗風(fēng)纜、橋面開孔、中央扣等抗風(fēng)措施對(duì)新疆賽吾迭格爾大橋顫振性能的改善。廖海黎等[4]研究了固定翼板和主動(dòng)控制翼板，結(jié)果表明，附設(shè)空氣動(dòng)力擾流板可以有效改善懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性。陳政清等[5]研究了舟山西堠門大橋長細(xì)吊索風(fēng)振問題抗風(fēng)減振方法。鞏明等[6]利用ANSYS有限元軟件通過不斷迭代的方法研究了某人行懸索橋主纜及抗風(fēng)纜找形方法，對(duì)其設(shè)置抗風(fēng)纜后有效改善了該懸索橋抗風(fēng)性能。宋錦忠等[7]探討了改善橋梁抗風(fēng)性能的幾種氣動(dòng)措施及其作用機(jī)理。姜天華[8]從空氣動(dòng)力學(xué)措施、機(jī)械措施、結(jié)構(gòu)措施三方面，針對(duì)大跨度橋梁抗風(fēng)措施數(shù)十年來的研究進(jìn)展，進(jìn)行了系統(tǒng)性回顧。

2 工程背景

某山區(qū)人行懸索橋，結(jié)構(gòu)形式雙塔三跨，橋跨布置（30+183+61）m，橋面寬4.4 m。加勁梁采用縱橫梁體系，由縱梁、橫梁、斜撐連接而成，材料均為Q345鋼，按每3 m為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段，與吊桿相連。吊桿鋼絲繩Φ40 mm，材料為Wire 1 770，吊桿間距順橋向3 m?？臻g索面主纜垂跨比1/10，塔頂處間距6.0 m，跨中處間距4.4 m，材料為Φ50 mm的ZAA6-37WS-IWR1870鋼絲繩，每根索布置7根平行鋼絲束。門架式橋塔為變截面結(jié)構(gòu)，塔頂尺寸1 m×1.8 m，塔底尺寸1 m×3 m，按線性規(guī)律變化，為混凝土實(shí)心結(jié)構(gòu)，高度25 m?？傮w布置見圖1。

3 有限元模型建立

3.1 材料參數(shù)

結(jié)構(gòu)模型材料參數(shù)取值見表1。

3.2 邊界條件

不改變結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的同時(shí)，簡化模型邊界條件，具體處理方式見表2。在實(shí)際結(jié)構(gòu)中，兩橋塔下橫梁位置處的加勁梁并不連續(xù)，因此，建模時(shí)將其分成三片，每片按照簡支梁來考慮，邊界條件處理為：一邊固定，一邊鉸接。

（2）×：約束該方向自由度;○：放松該方向自由度;※：在剛性連接中約束該方向自由度。

3.3 模型建立

簡化處理模型邊界條件，確保實(shí)際結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)形式、設(shè)計(jì)要點(diǎn)兩方面不發(fā)生改變。以中跨跨中的外側(cè)點(diǎn)位作為坐標(biāo)原點(diǎn)，依據(jù)材料、荷載參數(shù)，建立有限元空間結(jié)構(gòu)模型。全橋模型如圖2所示。

4 動(dòng)力特性計(jì)算

借助Midas/Civil 2015有限元軟件進(jìn)行模態(tài)分析，采用一致質(zhì)量矩陣模式，提取結(jié)構(gòu)前10階模態(tài)，前10階頻率值、振型分布特點(diǎn)見表3。

由表3計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)：

該人行懸索橋第一階自振頻率為0.245 2 Hz，表明結(jié)構(gòu)柔度較大，側(cè)向抗彎剛度較弱;結(jié)構(gòu)正對(duì)稱扭彎頻率比（一階正對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率與一階正對(duì)稱豎彎頻率的比值）較低，數(shù)值為1.38，說明結(jié)構(gòu)抗扭剛度弱，抗風(fēng)性能差，需要對(duì)其采取抗風(fēng)措施。

5 中央扣對(duì)抗風(fēng)性能改善

5.1 中央扣布置方案

在主跨跨中分別布置單聯(lián)、三聯(lián)、五聯(lián)柔性和剛性中央扣，以驗(yàn)證中央扣對(duì)所研究的人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果，同時(shí)比較柔性和剛性中央扣及其布置方式對(duì)該橋抗風(fēng)穩(wěn)定性的改善效果，工況一到工況六分別為：單聯(lián)柔性中央扣、單聯(lián)剛性中央扣、三聯(lián)柔性中央扣、三聯(lián)剛性中央扣、五聯(lián)柔性中央扣、五聯(lián)剛性中央扣，其中單聯(lián)、三聯(lián)、五聯(lián)中央扣布置位置和布置形式如圖3～圖5所示。

5.2 不同方案抗風(fēng)性能分析

利用有限元軟件計(jì)算并提取結(jié)構(gòu)前30階頻率和振型，六種中央扣布置工況下結(jié)構(gòu)自振特性與原方案對(duì)比見表4。原方案和六種中央扣布置工況典型基頻對(duì)比見圖6。

由表4和圖6可知：

（1）增設(shè)中央扣較原方案而言，一階反對(duì)稱豎彎頻率提高明顯，工況一增加最少，增加23.1%，工況五增加最多，增加47.3%，且基本呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，原因在于中央扣使得主纜和加勁梁于跨中連接，起到限制縱向位移的作用，結(jié)構(gòu)整體剛度因此得到提高。

（2）設(shè)置中央扣后，結(jié)構(gòu)反對(duì)稱抗扭剛度增加，一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)振型晚一階出現(xiàn)，一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率較原方案增加明顯，工況六增加最多，增加45.8%，工況一增加最少，增加20%。

（3）設(shè)置中央扣后，除工況一外，結(jié)構(gòu)一階正對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率略有提高，工況六提高最大，提高近9%。

（4）在低階模態(tài)中，不同振型對(duì)中央扣敏感程度不一樣，一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)振型最為敏感，一階反對(duì)稱豎彎振型次之，一階正對(duì)稱側(cè)彎振型最不敏感。

（5）設(shè)置中央扣會(huì)使得結(jié)構(gòu)頻率有所提高，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)有利。而且，不同類型的設(shè)置方式，對(duì)主梁約束的作用不一樣，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的提高有所差異。

正對(duì)稱扭彎頻率比和反對(duì)稱扭彎頻率比能夠正確反映出結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性，二者取值越大，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)越有利。原方案和六種工況扭彎頻率比見表5。原方案和六種工況扭彎頻率比變化趨勢(shì)見圖7。

由表5和圖7可知：

（1）工況二的正對(duì)稱扭彎頻率比和反對(duì)稱扭彎頻率比最大，工況五的正對(duì)稱扭彎頻率比和反對(duì)稱扭彎頻率比最小，表明工況二單聯(lián)剛性中央扣對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)最有利，同時(shí)節(jié)約材料。

（2）工況四的三聯(lián)剛性中央扣正對(duì)稱扭彎頻率比和反對(duì)稱扭彎頻率比次之，工況六的五聯(lián)剛性中央扣正對(duì)稱扭彎頻率比第三，反對(duì)稱扭彎頻率比略小于原方案，表明剛性中央扣相較柔性中央扣而言，對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性的提高更有利，建議在提高人行懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性時(shí)，相較柔性中央扣而言優(yōu)先選用剛性中央扣。

6 結(jié)論

（1）增設(shè)中央扣的各工況結(jié)構(gòu)一階反對(duì)稱豎彎頻率和一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率明顯提高，而且一階反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)振型晚一階出現(xiàn);在低階模態(tài)，不同振型對(duì)中央扣敏感程度不一樣。

（2）設(shè)置中央扣能夠改善人行懸索橋抗風(fēng)性能，并且不同的布置方式，提高效果不同，剛性比柔性中央扣在改善抗風(fēng)性能上更有利，單聯(lián)剛性中央扣改善效果相較而言最佳。

參考文獻(xiàn)：

[1]白樺，李德鋒，李宇，等.人行懸索橋抗風(fēng)性能改善措施研究[J].公路，2012（12）：1-6.

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[8]姜天華.大跨度橋梁風(fēng)致振動(dòng)控制研究[D].武漢理工大學(xué)，2009.