李加武,方 成,侯利明,汪 潔
(1.長安大學(xué) 公路學(xué)院,西安 710064;2.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,西安 710055;3.西安建筑科技大學(xué),西安 710055)
與動(dòng)力失穩(wěn)不同,靜力失穩(wěn)發(fā)生前無任何預(yù)兆,具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞性大的特點(diǎn)。過去,人們普遍認(rèn)為大跨徑橋梁的顫振臨界風(fēng)速一般都低于靜力失穩(wěn)的發(fā)散風(fēng)速。但是,1967年,日本東京大學(xué)Hirai教授在懸索橋的全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)中觀察到了靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散現(xiàn)象。同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室在汕頭海灣二橋的風(fēng)洞試驗(yàn)中,發(fā)現(xiàn)了斜拉橋由靜風(fēng)引起的彎扭失穩(wěn)現(xiàn)象。后來,Boonyapinyo等學(xué)者對(duì)橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定性問題進(jìn)行不斷的探討和改進(jìn),初步探明了失穩(wěn)機(jī)理。在總結(jié)已有研究的基礎(chǔ)上,本文基于風(fēng)洞試驗(yàn)測得的主梁靜力三分力系數(shù),在綜合考慮結(jié)構(gòu)幾何非線性和靜風(fēng)荷載非線性的基礎(chǔ)上,對(duì)大跨徑懸索橋以及大跨徑斜拉橋進(jìn)行了靜風(fēng)失穩(wěn)全過程分析;然后分別考察了三分力系數(shù)、初始風(fēng)攻角、橋塔風(fēng)荷載、纜索風(fēng)荷載以及邊跨風(fēng)荷載等參數(shù)對(duì)大跨徑纜索承重橋靜風(fēng)穩(wěn)定性的敏感程度,得出在分析中必須考慮的參數(shù)和可以忽略的參數(shù),為大跨徑橋梁的抗靜風(fēng)設(shè)計(jì)提了供依據(jù)與參考。
靜風(fēng)失穩(wěn)的臨界風(fēng)速是通過三分力系數(shù)的歐幾里得范數(shù)來判斷,本文基于大跨徑橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定性理論,在程進(jìn)等人提出的增量與內(nèi)外兩重迭代相結(jié)合的基礎(chǔ)上,引入外層迭代次數(shù)上限與風(fēng)速步長,利用ANSYS編制了相應(yīng)的參數(shù)化程序,其具體實(shí)現(xiàn)步驟如下:
(1)根據(jù)資料,在ANSYS中建立全橋三維有限元模型,并對(duì)模型進(jìn)行自重荷載下的位移計(jì)算;
(2)提取主梁扭轉(zhuǎn)角{θ}0,計(jì)算該狀態(tài)下的三分力系數(shù),此時(shí)主梁上的有效攻角均等于初始攻角α0;
(3)假定初始風(fēng)速U0和初始風(fēng)速步長DU0,當(dāng)前風(fēng)速Ui=U0,設(shè)定外層迭代次數(shù)上限Nmax;
(4)計(jì)算當(dāng)前Ui風(fēng)速下主梁的靜風(fēng)荷載,采用Newton-Rapson方法進(jìn)行結(jié)構(gòu)非線性求解,獲得收斂解(內(nèi)層迭代);
(5)提取主梁扭轉(zhuǎn)角向量{θ}i,則該級(jí)風(fēng)速下用于修正三分力系數(shù)的扭轉(zhuǎn)角向量取{q}i={q}i+j{Dq}i,其中,φ為松弛因子,在0~1.0之間,本文取0.35。扭轉(zhuǎn)角增量{Dq}i={q}i-{q}i-1-j{Dq}i-1,此時(shí),主梁的有效攻角{α}={α0}+{q}i;
(6)計(jì)算該狀態(tài)下的三分力系數(shù);
(7)檢查三分力系數(shù)的歐幾里得范數(shù)是否小于允許值;
(k=X,Y,Z)
式中:Na為受到靜風(fēng)荷載作用的主梁節(jié)點(diǎn)總數(shù);Ck為阻力、升力或升力矩系數(shù);epsk為阻力、升力或升力矩系數(shù)的允許誤差,一般在0.000 5~0.005之間取值。
(8)如果三分力系數(shù)的范數(shù)全小于允許值,說明本級(jí)風(fēng)速計(jì)算結(jié)果收斂,輸出計(jì)算結(jié)果。按設(shè)定步長增加風(fēng)速,返回步驟(4)進(jìn)行下一級(jí)風(fēng)速計(jì)算(增量法);
(9)如果三分力系數(shù)的范數(shù)大于允許值,重復(fù)步驟(4)~(7)(外層迭代)。若迭代次數(shù)達(dá)到迭代次數(shù)上限,說明本級(jí)風(fēng)速難以收斂,則恢復(fù)到上一級(jí)風(fēng)速狀態(tài),將風(fēng)速步長減半,返回步驟(4),重新計(jì)算。如果風(fēng)速步長小于預(yù)定值,計(jì)算結(jié)束;
(10)繪制結(jié)構(gòu)變形-風(fēng)速曲線,判定靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速。
其計(jì)算流程圖見圖1。
圖1 靜風(fēng)穩(wěn)定性計(jì)算流程圖
虎門二橋位于廣東省珠江三角洲地區(qū),西起廣州市番禺區(qū)東涌鎮(zhèn),接珠三角經(jīng)濟(jì)區(qū)環(huán)形公路南環(huán)段和京珠高速公路,終于東莞市厚街互通立交,與廣深高速相交,東接正在規(guī)劃中的厚街至寮步高速公路。虎門二橋工程主橋橋位南距虎門大橋約10 km,北距珠江黃埔大橋約20 km,連續(xù)跨越大沙水道和坭洲水道。該項(xiàng)目分為過江通道工程和接線工程,過江通道工程由坭洲水道橋、大沙水道橋和引橋組成,坭洲水道橋采用主跨(658+1 688)m雙塔雙跨扁平箱梁懸索橋,大沙水道橋采用主跨1 200 m雙塔單跨懸索橋或斜拉橋,引橋采用40-60 m預(yù)應(yīng)力混凝土橋。坭洲水道橋和大沙水道橋的有限元計(jì)算模型分別如圖2和圖3所示。
圖2 坭洲水道橋有限元計(jì)算模型
圖3 大沙水道橋有限元計(jì)算模型
主梁靜力三分力系數(shù)是描述主梁靜風(fēng)荷載的一組無量綱參數(shù),不同的主梁斷面有不同的三分力系數(shù)。本節(jié)對(duì)坭洲水道橋的主梁斷面進(jìn)行了更換,分別選取坭洲水道橋方案一主梁斷面,方案三主梁斷面及大沙水道橋主梁斷面,其它結(jié)構(gòu)參數(shù)保持不變,計(jì)算該橋的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速。通過計(jì)算得到不同主梁靜力三分力系數(shù)下靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值如表1所示。洲水道橋方案一主梁斷面,方案三主梁斷面及大沙水道橋主梁斷面如圖4~圖6;主梁最大豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形隨風(fēng)速的變化如圖7~圖9所示;圖10~圖12分別為三個(gè)主梁斷面的升力系數(shù)、阻力系數(shù)和升力矩系數(shù)比較圖。
表1 不同靜力三分力系數(shù)下靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速
圖4 坭洲水道橋方案一主梁斷面
圖7 主梁最大豎向位移隨風(fēng)速的變化
圖10 升力系數(shù)比較圖
從圖7~圖12中可以看出,坭洲水道橋方案一與方案三主梁的升力系數(shù)和升力矩系數(shù)較為接近,計(jì)算所得的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速僅差3 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的2.6%,而坭洲水道橋方案一與大沙水道橋主梁的升力系數(shù)和升力矩系數(shù)相差大,靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速相差達(dá)到了11 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的9.7%。因此,主梁的三分力系數(shù)值是影響結(jié)構(gòu)靜風(fēng)穩(wěn)定性的主要因素之一,其中升力系數(shù)和升力矩系數(shù)對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性影響較大。
橋梁結(jié)構(gòu)的有效攻角是由風(fēng)的初始攻角和主梁的扭轉(zhuǎn)角兩部分組成的,而結(jié)構(gòu)所承受靜風(fēng)荷載的大小又是結(jié)構(gòu)有效攻角的函數(shù),不同的初始風(fēng)攻角勢(shì)必會(huì)影響到結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)荷載大小。本節(jié)選取風(fēng)的初始攻角為0°、+1°、+2°、+3°(因負(fù)攻角對(duì)結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性起到有利的作用,故沒有選取)分別對(duì)坭洲水道橋的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速進(jìn)行了計(jì)算與比較。得到各初始風(fēng)攻角下的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值如表2所示。圖13~圖15為主梁最大豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形隨風(fēng)速變化的對(duì)比圖。
表2 不同初始攻角下靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速
圖13 主梁最大豎向位移隨風(fēng)速變化的對(duì)比
從圖13~圖15中可以看出,隨著風(fēng)速的不斷增加,主梁的豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)角的變化趨勢(shì)基本相同,但靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值隨著初始風(fēng)攻角的增加而逐漸減小,最大相差6 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的5.6%,因此坭洲水道橋初始風(fēng)攻角的選取對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響較大。初始風(fēng)攻角對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響大小主要與主梁靜力三分力系數(shù)有很大關(guān)系,主梁的升力系數(shù)和升力矩系數(shù)變化越快,對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響也就越大。
大跨度纜索承重橋的橋塔一般都較高且迎風(fēng)面積較大,其上作用的靜風(fēng)荷載與迎風(fēng)面積成正比,與橋塔基準(zhǔn)高度處的風(fēng)速平方成正比,因此橋塔靜風(fēng)荷載相對(duì)較大, 本節(jié)分別對(duì)坭洲水道橋和大沙水道橋的橋塔加風(fēng)荷載與不加風(fēng)荷載進(jìn)行了分析。經(jīng)過計(jì)算,得到坭洲水道橋和大沙水道橋橋塔加風(fēng)荷載與不加風(fēng)荷載時(shí)的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值見表3所示。圖16~圖18為坭洲水道橋主梁最大豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形隨風(fēng)速變化的對(duì)比圖,圖19~圖21為大沙水道橋主梁最大豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形隨風(fēng)速變化的對(duì)比圖。
表3 橋塔風(fēng)荷載對(duì)臨界風(fēng)速的影響
圖16 坭洲水道橋豎向位移隨風(fēng)速的變化
圖19 大沙水道橋豎向位移隨風(fēng)速的變化
從圖16~圖18中可以看出,隨著風(fēng)速的不斷增加,坭洲水道橋主梁的豎向位移、側(cè)向位移、扭轉(zhuǎn)角的變化曲線基本重合,橋塔加風(fēng)荷載與不加風(fēng)荷載的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值僅差1 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的0.9%,因此懸索橋橋塔風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)靜風(fēng)穩(wěn)定性影響很小,可以被忽略。
從圖19~圖21中可以看出,隨著風(fēng)速的不斷增加,大沙水道橋主梁的豎向位移、側(cè)向位移、扭轉(zhuǎn)角的變化曲線基本重合,橋塔加風(fēng)荷載與不加風(fēng)荷載的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值僅差3 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的1.5%,因此斜拉橋橋塔風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)靜風(fēng)穩(wěn)定性影響很小,可以被忽略。
隨著懸索橋跨徑的不斷增大,其主纜和吊桿的直徑將相應(yīng)加大,使得主纜和吊桿上的風(fēng)荷載也隨之變大。坭洲水道橋的主纜直徑達(dá)到了0.93 m,吊桿的直徑為0.074 m,主纜和吊桿上的風(fēng)荷載有可能對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。為了考察主纜和吊桿上的風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響,下面分以下四種情況進(jìn)行計(jì)算:
(1)施加所有風(fēng)荷載;
(2)不施加吊桿風(fēng)荷載;
(3)不施加主纜風(fēng)荷載;
(4)主纜和吊桿風(fēng)荷載都不施加;
四種情況下靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速如表4所示。圖22~圖24為主梁豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形隨風(fēng)速的變化。
表4 不同情況下靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速
圖22 主梁豎向位移隨風(fēng)速的變化
由圖22~圖24可以看出,情況一和情況二計(jì)算得到的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速相差很小,僅差1 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的0.9%,而情況一和情況三計(jì)算的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速相差11 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的9.6%,即吊桿風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性影響較小,主纜風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性影響較大,而且加主纜風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性產(chǎn)生不利的作用。
而且,從圖22~圖24可以看出,主纜風(fēng)荷載對(duì)主梁的側(cè)向位移,豎向位移和扭轉(zhuǎn)角影響都較大,吊桿風(fēng)荷載對(duì)三者的影響都很小。其主要原因是主纜的直徑達(dá)到了0.93 m,每延米風(fēng)荷載約為主梁橫橋向風(fēng)荷載的18%,吊桿的直徑為0.074 m,每延米風(fēng)荷載約為主梁橫橋向風(fēng)荷載的1.4%,因而主纜風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性影響較大,載,因此,在大跨徑懸索橋的靜風(fēng)穩(wěn)定性分析中必須考慮主纜風(fēng)荷載的作用,否則偏于不安全。
大跨度斜拉橋的斜拉索相對(duì)較長,直徑較大,作用在拉索上的風(fēng)荷載相應(yīng)也較大,并且斜拉索與主梁直接相連,其上的荷載會(huì)間接作用在主梁上,因此斜拉索上的風(fēng)荷載可能對(duì)結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性產(chǎn)生一定的影響。本節(jié)對(duì)大沙水道橋的斜拉索分別加風(fēng)荷載與不加風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算,得到兩種情況下結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值見表5所示。圖25~圖27為主梁最大豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形隨風(fēng)速變化的對(duì)比圖。
表5 不同情況下靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速
圖25 主梁最大豎向位移隨風(fēng)速變化
從圖25~圖27中可以看出,主梁的豎向位移、側(cè)向位移及扭轉(zhuǎn)角在風(fēng)速不斷增加的過程中相差較大,當(dāng)達(dá)到靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速時(shí),大沙水道橋加斜拉索風(fēng)荷載的跨中主梁節(jié)點(diǎn)側(cè)向位移達(dá)到20 m,不加斜拉索風(fēng)荷載的跨中主梁節(jié)點(diǎn)側(cè)向位移為13m,相差很大,而且在同一風(fēng)速下,有斜拉索風(fēng)荷載的主梁豎向位移、扭轉(zhuǎn)變形都比沒有斜拉索風(fēng)荷載時(shí)大。兩者的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值相差也較大,達(dá)到了12 m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的6.2%。因此,在求解斜拉橋靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速時(shí),斜拉索的風(fēng)荷載不能忽略。
大跨度斜拉橋邊跨跨度相比主跨跨度較小,靜風(fēng)失穩(wěn)時(shí),最大位移一般都出現(xiàn)在主跨跨中,邊跨的位移相對(duì)較小,邊跨風(fēng)荷載是否影響主跨位移和靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速不太清楚,本節(jié)對(duì)大沙水道橋邊跨的主梁和斜拉索分別加風(fēng)荷載與不加風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算,得到兩種情況下的靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速值見表6所示。圖28~圖30為主梁最大豎向位移、側(cè)向位移和扭轉(zhuǎn)變形隨風(fēng)速變化的對(duì)比圖。
圖28 主梁最大豎向位移隨風(fēng)速變化
表6 邊跨有無風(fēng)荷載情況下靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速
從圖28~圖30中可以看出,隨著風(fēng)速的不斷增加,兩種情況下主梁的豎向位移、側(cè)向位移、扭轉(zhuǎn)角的變化曲線基本重合,靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速僅相差2m/s,約占失穩(wěn)風(fēng)速的1%,因此邊跨風(fēng)荷載對(duì)橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響很小,可以被忽略。
本文以虎門二橋?yàn)槔?,通過改變影響靜風(fēng)穩(wěn)定性的參數(shù)來考察其對(duì)大跨徑纜索承重橋靜風(fēng)穩(wěn)定性的敏感程度,分析計(jì)算結(jié)果可得如下結(jié)論:
(1)主梁靜力三分力系數(shù)是影響橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定性的主要因素之一,其中升力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性影響較大;
(2)橋梁結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性一般隨著初始風(fēng)攻角的增加而降低,當(dāng)升力和升力矩系數(shù)變化較快時(shí),影響較大,變化較慢時(shí),影響較??;
(3)橋塔風(fēng)荷載對(duì)橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響很小,可以被忽略;
(4)大跨徑懸索橋主纜風(fēng)荷載對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性影響較大,分析中必須考慮,吊桿風(fēng)荷載對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性影響很小,可以忽略;
(5)由于大跨徑斜拉橋拉索一般較長,其上風(fēng)荷載較大,且直接與主梁相連,拉索風(fēng)荷載對(duì)靜風(fēng)穩(wěn)定性影響較大,分析中不能忽略;
(6)邊跨風(fēng)荷載對(duì)橋梁靜風(fēng)穩(wěn)定性的影響很小,可以被忽略。
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