蜀南竹海大跨度人行懸索橋抗風(fēng)性能分析

林智敏, 羅照鑫, 楊培森

(1.成都大學(xué),四川成都 610106;2.四川西南交大土木工程設(shè)計(jì)有限公司,四川成都 610031)

1 橋梁概況

蜀南竹海作為4A級國家級風(fēng)景名勝區(qū),被評為中國最美的十大森林之一,但內(nèi)部經(jīng)營方式較單一,缺少特色體驗(yàn)互動(dòng)類型的旅游項(xiàng)目。根據(jù)景區(qū)發(fā)展需要,擬建設(shè)一座大跨度的人行懸索橋,增加游客的選擇性與趣味性。根據(jù)前期規(guī)劃及方案設(shè)計(jì),橋梁選址距離景區(qū)游客中心約11 km,位于七彩飛瀑景區(qū)東北側(cè),跨越深度約220 m的峽谷。

本橋采用雙索面地錨式懸索橋,主跨主纜跨度320 m,矢跨比1/10,主梁總長300 m,標(biāo)準(zhǔn)段寬度3 m。鋼箱梁采用分離式雙箱,通過橫隔梁形成縱橫相間的格子體系,上面鋪設(shè)鋼化玻璃。全橋設(shè)4個(gè)主塔,均為獨(dú)柱結(jié)構(gòu),下設(shè)樁基承臺。兩岸錨碇均為重力式錨碇[1](圖1)。

圖1 橋梁總體布置(單位:m)

由于本橋跨度大,寬度小,抗風(fēng)穩(wěn)定性問題較為突出。為提高橋梁的抗風(fēng)性能:①主纜采用空間纜的布置形式,從跨中到邊跨逐步展開;②在橋梁兩側(cè)下方斜平面對稱布置抗風(fēng)索;③主梁采用分離式鋼箱梁的形式,兩側(cè)設(shè)置風(fēng)嘴。在采取了上述措施后,對橋梁的抗風(fēng)性能進(jìn)行計(jì)算分析,驗(yàn)證其效果。

2 設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)的確定

橋位處于四川省長寧縣蜀南竹海景區(qū),可以取周邊氣象站的參考數(shù)據(jù),橋位距離宜賓氣象站較近,根據(jù)國家氣象資料,截止到2015年,可以推算到宜賓100年一遇基本風(fēng)速為25.10 m/s。橋位地處山區(qū)峽谷,可以歸為D類地表,根據(jù)我國JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算得到橋面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為26.95 m/s,主梁成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為53.42 m/s,主梁成橋狀態(tài)靜風(fēng)穩(wěn)定檢驗(yàn)風(fēng)速43.12 m/s。

3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算分析

橋梁在風(fēng)作用下的響應(yīng)和橋梁的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性關(guān)系密切,因此結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性是進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)分析的前提。通過結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析,可得到橋梁結(jié)構(gòu)的頻率分布及振型特點(diǎn),并為后續(xù)的抗風(fēng)分析提供相應(yīng)的計(jì)算基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在與橋跨垂直的橫向風(fēng)的作用下,橋梁結(jié)構(gòu)會(huì)在發(fā)生相應(yīng)的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),其位移方向體現(xiàn)出明顯的空間性。因此計(jì)算模型應(yīng)采用三維模型,并準(zhǔn)確地模擬橋梁剛度和質(zhì)量的空間分布特點(diǎn)。

蜀南竹海人行懸索橋有限元模型采用雙主梁進(jìn)行模擬,每隔5 m設(shè)置一道橫梁,吊桿連接點(diǎn)與主梁之間采用剛臂進(jìn)行連接。主纜及吊桿采用空間桿單元。成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)的邊界條件:

(1)主梁與橋臺部分,主梁豎向、橫橋向自由度均與橋臺變位主從,順橋向自由度放松。

(2)主纜及抗風(fēng)索端部約束所有自由度。

(3)索塔底部約束所有自由度,不考慮樁土相互作用。

(4)主纜與索塔頂端連接部分,主纜順橋向、橫橋向、縱向均與索塔主從[2]。

各部分構(gòu)成了蜀南竹海人行懸索橋結(jié)構(gòu)有限元模型,整個(gè)模型共有409個(gè)節(jié)點(diǎn),739個(gè)單元。圖2為采用ANSYS軟件建立的結(jié)構(gòu)有限元模型。

圖2 蜀南竹海人行懸索橋結(jié)構(gòu)有限元離散

對蜀南竹海人行懸索橋進(jìn)行成橋狀態(tài)下結(jié)構(gòu)有限元模態(tài)分析,其主要自振頻率見表1。

表1 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果

橋梁一階豎彎及一階扭轉(zhuǎn)振型如圖3、圖4所示。

圖3 橋梁一階豎彎振型

圖4 橋梁一階扭轉(zhuǎn)振型

4 靜風(fēng)穩(wěn)定性分析

4.1 分析方法

橋梁結(jié)構(gòu)的空氣靜力穩(wěn)定性體現(xiàn)在兩方面,一方面考慮結(jié)構(gòu)是否出現(xiàn)側(cè)向屈曲,另一方面考慮原結(jié)構(gòu)是否扭轉(zhuǎn)發(fā)散。

當(dāng)風(fēng)速達(dá)到橋梁的空氣靜力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速時(shí),橋梁將產(chǎn)生失穩(wěn),因此導(dǎo)致災(zāi)難性的后果。因此,對橋梁結(jié)構(gòu)而言,靜風(fēng)穩(wěn)定性的要求表述為靜力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速必須大于空氣靜力穩(wěn)定性檢驗(yàn)風(fēng)速。

確定空氣靜力失穩(wěn)臨界風(fēng)速的方法有2種:全橋氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)和基于靜力三分力系數(shù)的計(jì)算分析。通過全橋氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)直接測量臨界風(fēng)速的方法會(huì)造成模型損壞,通常不便于實(shí)施?；陟o力三分力系數(shù)的計(jì)算分析,傳統(tǒng)方法是基于線性理論,將側(cè)向屈曲和扭轉(zhuǎn)發(fā)散分別處理,得到的臨界風(fēng)速值顯著高于真值。更為精確的方法是利用非線性有限元法對結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)荷載—位移非線性分析。實(shí)踐證明,這種方法具有良好的精度。因此采用該種方法進(jìn)行分析。

進(jìn)行非線性分析時(shí),靜風(fēng)荷載非線性是指靜風(fēng)荷載作用隨著主梁斷面發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形同步發(fā)生非線性變化的過程。隨著風(fēng)速的增加,主梁將發(fā)生扭轉(zhuǎn),結(jié)構(gòu)的受力初始形態(tài)發(fā)生變化,三分力系數(shù)隨之改變,從而導(dǎo)致主梁上的靜風(fēng)荷載發(fā)生變化。由此可見,作用于主梁上的靜風(fēng)荷載是隨著主梁的位移變化而同步變化的。在進(jìn)行計(jì)算分析時(shí),應(yīng)將主梁上的靜風(fēng)荷載定義為以主梁位移為變量的函數(shù)[3]

在保證對結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的抽象和簡化的過程中準(zhǔn)確反映結(jié)構(gòu)質(zhì)量和剛度的空間分布,以及保證所建立的邊界條件真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的工作行為的基礎(chǔ)上,建立三維計(jì)算模型,采用空間桿系來模擬結(jié)構(gòu)行為。分析所用的計(jì)算模型及結(jié)構(gòu)狀態(tài)與前面的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析所用者相同。

在計(jì)算發(fā)散風(fēng)速時(shí),首先假定一組基準(zhǔn)風(fēng)速,通過計(jì)算分析得到主纜拉力機(jī)主梁的扭轉(zhuǎn)角度,以此纜力及主纜扭轉(zhuǎn)角度作為新一級的初始狀態(tài)輸入模型,再重復(fù)上一次計(jì)算,反復(fù)迭代,直至模型發(fā)散為止。在計(jì)算過程中,應(yīng)合理取用風(fēng)速步長,以得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

4.2 分析結(jié)果

按照上述方法分別計(jì)算了蜀南竹海懸索橋成橋狀態(tài)0°風(fēng)攻角下的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速。圖5～圖7為0°攻角下,蜀南竹海懸索橋成橋狀態(tài)空氣靜力穩(wěn)定性分析所得主梁跨中豎向位移、橫向位移及扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速變化情況。

圖5 成橋狀態(tài)跨中豎向位移隨風(fēng)速變化情況

圖6 成橋狀態(tài)跨中橫向位移隨風(fēng)速變化情況

圖7 成橋狀態(tài)跨中扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速變化情況

計(jì)算所得蜀南竹海懸索橋成橋狀態(tài)的靜風(fēng)臨界失穩(wěn)風(fēng)速為70.6 m/s,大于相應(yīng)狀態(tài)的靜風(fēng)失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速43.12 m/s,表明該橋的靜風(fēng)穩(wěn)定性滿足要求。

5 顫振穩(wěn)定性分析

顫振是一種自發(fā)性的自激振動(dòng),主要是由于振動(dòng)結(jié)構(gòu)能夠在流動(dòng)的空氣中不斷吸收能量,當(dāng)橋梁所吸收的能量不能完全被結(jié)構(gòu)本身的阻尼體系所消耗吸收,多余的能量會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)的振幅逐漸增大最終引起橋梁的發(fā)散振動(dòng)[4]。

本橋采用開口型的分離式雙箱斷面,這種斷面形式常用于大跨度的斜拉橋和懸索橋。但這種分離式雙箱截面氣動(dòng)穩(wěn)定性較差,而顫振對于主梁的氣動(dòng)外形十分敏感,所以采用分離式雙箱截面的斜拉橋和懸索器常要采用額外的構(gòu)造措施進(jìn)行氣動(dòng)性能優(yōu)化。對于本橋而言,梁寬較窄,未增加額外的氣動(dòng)性能優(yōu)化構(gòu)造措施,但必要的顫振穩(wěn)定性分析必不可少[5]。

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行計(jì)算,橋梁的顫振臨界風(fēng)速為58.56 m/s,高于53.42 m/s的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,因此橋梁顫振穩(wěn)定性滿足要求。

6 渦激振動(dòng)穩(wěn)定性分析

渦激振動(dòng)是大跨度橋梁在低風(fēng)速下很容易出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象,其帶有自激性質(zhì),振動(dòng)的結(jié)構(gòu)反過來會(huì)對渦脫形成某種反饋?zhàn)饔?使得渦振振幅受到限制。來流經(jīng)過橋梁斷面時(shí),必然會(huì)發(fā)生繞流現(xiàn)象,其截面背后的周期性漩渦脫落將產(chǎn)生周期變化的作用力—渦激力。當(dāng)被繞流的物體是一個(gè)振動(dòng)體系時(shí),周期性的渦激力將引起結(jié)構(gòu)的渦激振動(dòng),并且在漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)的自振頻率一致時(shí)發(fā)生渦激共振[6]。

對于主梁,渦激振動(dòng)形式主要表象為豎直方向的振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。與顫振的發(fā)散性不同,渦激振動(dòng)振幅有限,短時(shí)間不會(huì)對橋梁造成失穩(wěn)的破壞性后果。但由于渦激振動(dòng)具有時(shí)長較長的特點(diǎn),對于橋梁上的行人會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的不適感,更為嚴(yán)重的情況下甚至?xí)?dǎo)致鋼結(jié)構(gòu)橋梁發(fā)生疲勞開裂。

按照J(rèn)TG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對主梁的渦激振動(dòng)特性作出評價(jià)。經(jīng)計(jì)算,懸索橋的渦激振動(dòng)性能如表2所示,結(jié)果表明蜀南竹海人行懸索橋渦激振動(dòng)性能滿足規(guī)范要求[7]。

表2 成橋狀態(tài)渦激振動(dòng)性能計(jì)算結(jié)果

7 結(jié)論

蜀南竹海人行懸索橋?qū)捒绫葮O小,橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性問題非常突出。經(jīng)計(jì)算分析,橋梁的靜風(fēng)穩(wěn)定性、顫振穩(wěn)定性及渦振穩(wěn)定性均滿足使用要求,表明所采取的設(shè)置空間索、抗風(fēng)索及分離式鋼箱等措施對改善本橋的抗風(fēng)性能是有效的。