馬 韜

曹妃甸跨納潮河大橋抗風穩(wěn)定性分析

馬 韜

以曹妃甸跨納潮河大橋為背景,對三跨雙塔單索面預應(yīng)力混凝土寬橋面部分斜拉橋進行了動力特性和抗風穩(wěn)定性分析,并進行了部分斜拉橋和相應(yīng)連續(xù)梁橋的空間動力特性對比計算。結(jié)果表明,部分斜拉橋的力學特性接近連續(xù)梁橋,基本自振周期短,抗扭剛度大,抗風性能良好。

部分斜拉橋,雙塔單索面,動力分析,抗風穩(wěn)定性,顫振穩(wěn)定性

部分斜拉橋是從體外預應(yīng)力橋發(fā)展而來的一種新型結(jié)構(gòu)體系,其特點是塔較矮、梁的剛度大、索的貢獻較小。部分斜拉橋是以梁的直接受彎、受壓、受剪和索的受拉共同承受豎向荷載,較好的結(jié)合了連續(xù)梁和斜拉橋的優(yōu)點[1]。本文以曹妃甸跨納潮河大橋為工程背景,對三跨雙塔單索面寬橋面部分斜拉橋的動力特性和抗風性能進行了研究。

1 工程概況

曹妃甸跨納潮河大橋采用(80+128+80)m雙塔單索面預應(yīng)力混凝土部分斜拉橋,橋?qū)?38.5m,雙向六車道。結(jié)構(gòu)體系采用塔梁固結(jié),橋墩上設(shè)支座的連續(xù)梁形式。主梁采用單箱五室大懸臂箱梁,支點梁高5.0m,跨中梁高2.8m,箱梁頂寬37.5m,人行道板懸挑0.5m。

2 結(jié)構(gòu)動力特性分析

跨納潮河大橋動力分析采用Midas Civil 7.41有限元程序計算,計算模型采用最大懸臂狀態(tài)和成橋狀態(tài)兩種模型分別計算施工階段和運營階段的動力特性。計算模式著重于結(jié)構(gòu)的剛度、質(zhì)量和邊界條件的模擬。目前應(yīng)用較多的大跨度橋梁的計算模型主要有三種：魚骨式、雙梁式和三梁式。其中魚骨式模型適用于扭轉(zhuǎn)剛度較大的閉口箱形截面主梁[2]。本橋在計算中采用魚骨式模型,主要自振頻率及振型見表 1,表 2。從表 2中可知,本橋第一振型為主梁的豎向彎曲,自振周期為 1.22 s。其基本自振周期較短,不屬于柔性結(jié)構(gòu),而通常斜拉橋的基本自振周期均在 2 s以上,大跨度的斜拉橋的基本自振周期在 5 s以上[1-3]。部分斜拉橋的基本自振周期介于連續(xù)梁橋與斜拉橋之間。

表 1 最大懸臂狀態(tài)自振頻率及振型特點

3 結(jié)構(gòu)抗風性能分析

橋梁結(jié)構(gòu)風振問題可以按照結(jié)構(gòu)振動形式分為五類,即顫振、馳振、渦振、抖振和拉索風振[3]。針對部分斜拉橋的動力特性,本橋主要分析了主梁的顫振。

表 2 成橋狀態(tài)自振頻率及振型特點

3.1 設(shè)計風速

基本風速按JTG D60-2004公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范附錄A中的全國基本風速及全國各氣象臺站基本風速和基本風壓值,及JTG/T D60-01-2004公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范附錄A中的全國基本風速值和基本風速分布圖[4-6]。主梁設(shè)計基準高度 Z=12 m,主塔設(shè)計基準高度Z=31m。百年重現(xiàn)期風速V10=27.1m/s,地表狀況：A類,運營階段主梁設(shè)計基準風速：Vd主梁=1.194×27.1= 32.36m/s,運營階段主梁靜陣風風速：Vg主梁=1.255×32.36= 40.61m/s,運營階段主塔設(shè)計風速：Vd塔=1.345×27.1=36.45m/s,施工階段主梁設(shè)計風速：Vsd主梁=0.84×32.36=27.18m/s,施工階段主塔設(shè)計風速：Vsd塔=0.84×36.45=30.62m/s。

3.2 顫振穩(wěn)定性驗算

3.2.1 顫振檢驗風速

各階段顫振檢驗風速見表 3。3.2.2 顫振臨界風速

表3 顫振檢驗風速 m/s

各階段顫振臨界風速見表4。對于本橋B/H=37.5/5=7.5,介于4～8之間,可用Vcr=5ft×B計算顫振臨界風速[5,6]。

成橋狀態(tài)：Vcr=5×2.78×37.5=521.3m/s。

最大雙懸臂施工狀態(tài)：Vcr=5×2.75×37.5=515.6m/s。

顫振臨界風速遠大于顫振檢驗風速,不會發(fā)生顫振。

3.2.3 顫振穩(wěn)定性的分級

本橋在成橋運營狀態(tài)及最大雙懸臂施工狀態(tài)的抗風穩(wěn)定性等級為Ⅰ級,表明抗風穩(wěn)定性十分安全。

表4 彎扭耦合顫振臨界風速

4 結(jié)語

1)部分斜拉橋由于其主梁抗彎、抗扭剛度大,基本自振周期較短,不屬于柔性結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)動力特性主要由梁的動力特性決定,接近連續(xù)梁橋的動力特性。

2)對于部分斜拉橋,其主要振動形式為主梁的豎向彎曲,主梁扭轉(zhuǎn)振型出現(xiàn)很晚。盡管單索面布置使索不能提供抗扭能力,但是主梁抗扭剛度很大,扭轉(zhuǎn)基頻與豎向基頻之比在 2以上,因此彎扭耦合顫振臨界風速明顯提高,有良好的抗風性能。

[1] 劉世忠,歐陽永金.獨塔單索面部分斜拉橋力學性能及建設(shè)實踐[M].北京：中國鐵道建設(shè)出版社,2006.

[2] 陳政清.橋梁風工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[3] 項海帆.現(xiàn)代橋梁抗風理論與實踐[M].北京：人民交通出版社,2005.

[4] JTG D 60-2004,公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范[S].

[5] JTG/T D60-01-2004,公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范[S].

[6] 項海帆.公路橋梁抗風設(shè)計指南[M].北京：人民交通出版社,1996.

The stability analysis of Caofeidian across Chaohe Bridge resistance wind

MA Tao

Take the Caofeidian across Chaohe Bridge as a background,analysed the dynam ic characteristics and wind resistance stability for three spans towerswith single cab le plane prestressed concrete cable-stayed wide deck bridge part.Make compared calcu lation for the partof cable-stayed bridge and the corresponding continuous girder bridge space dynamic characteristics.The results showed that themechanicalproperties of the part cable-stayed bridge are close to continuous girder bridge,the basic self-vibration cycle is short,the w rest resistant stiffness big, the wind resistance is good.

part cable-stayed bridge,towerswith single cab le plane,dynamic analysis,wind resistance stability,the flutter stability

U 442.59

A

1009-6825(2011)09-0174-02

2010-11-24

馬 韜(1977-),男,碩士,工程師,中鐵第一勘察設(shè)計院集團有限公司,陜西西安 710043