曹妃甸跨纳潮河大桥抗风稳定性分析

马 韬

曹妃甸跨纳潮河大桥抗风稳定性分析

马 韬

以曹妃甸跨纳潮河大桥为背景,对三跨双塔单索面预应力混凝土宽桥面部分斜拉桥进行了动力特性和抗风稳定性分析,并进行了部分斜拉桥和相应连续梁桥的空间动力特性对比计算。结果表明,部分斜拉桥的力学特性接近连续梁桥,基本自振周期短,抗扭刚度大,抗风性能良好。

部分斜拉桥,双塔单索面,动力分析,抗风稳定性,颤振稳定性

部分斜拉桥是从体外预应力桥发展而来的一种新型结构体系,其特点是塔较矮、梁的刚度大、索的贡献较小。部分斜拉桥是以梁的直接受弯、受压、受剪和索的受拉共同承受竖向荷载,较好的结合了连续梁和斜拉桥的优点[1]。本文以曹妃甸跨纳潮河大桥为工程背景,对三跨双塔单索面宽桥面部分斜拉桥的动力特性和抗风性能进行了研究。

1 工程概况

曹妃甸跨纳潮河大桥采用(80+128+80)m双塔单索面预应力混凝土部分斜拉桥,桥宽 38.5m,双向六车道。结构体系采用塔梁固结,桥墩上设支座的连续梁形式。主梁采用单箱五室大悬臂箱梁,支点梁高5.0m,跨中梁高2.8m,箱梁顶宽37.5m,人行道板悬挑0.5m。

2 结构动力特性分析

跨纳潮河大桥动力分析采用Midas Civil 7.41有限元程序计算,计算模型采用最大悬臂状态和成桥状态两种模型分别计算施工阶段和运营阶段的动力特性。计算模式着重于结构的刚度、质量和边界条件的模拟。目前应用较多的大跨度桥梁的计算模型主要有三种：鱼骨式、双梁式和三梁式。其中鱼骨式模型适用于扭转刚度较大的闭口箱形截面主梁[2]。本桥在计算中采用鱼骨式模型,主要自振频率及振型见表 1,表 2。从表 2中可知,本桥第一振型为主梁的竖向弯曲,自振周期为 1.22 s。其基本自振周期较短,不属于柔性结构,而通常斜拉桥的基本自振周期均在 2 s以上,大跨度的斜拉桥的基本自振周期在 5 s以上[1-3]。部分斜拉桥的基本自振周期介于连续梁桥与斜拉桥之间。

表 1 最大悬臂状态自振频率及振型特点

3 结构抗风性能分析

桥梁结构风振问题可以按照结构振动形式分为五类,即颤振、驰振、涡振、抖振和拉索风振[3]。针对部分斜拉桥的动力特性,本桥主要分析了主梁的颤振。

表 2 成桥状态自振频率及振型特点

3.1 设计风速

基本风速按JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范附录A中的全国基本风速及全国各气象台站基本风速和基本风压值,及JTG/T D60-01-2004公路桥梁抗风设计规范附录A中的全国基本风速值和基本风速分布图[4-6]。主梁设计基准高度 Z=12 m,主塔设计基准高度Z=31m。百年重现期风速V10=27.1m/s,地表状况：A类,运营阶段主梁设计基准风速：Vd主梁=1.194×27.1= 32.36m/s,运营阶段主梁静阵风风速：Vg主梁=1.255×32.36= 40.61m/s,运营阶段主塔设计风速：Vd塔=1.345×27.1=36.45m/s,施工阶段主梁设计风速：Vsd主梁=0.84×32.36=27.18m/s,施工阶段主塔设计风速：Vsd塔=0.84×36.45=30.62m/s。

3.2 颤振稳定性验算

3.2.1 颤振检验风速

各阶段颤振检验风速见表 3。3.2.2 颤振临界风速

表3 颤振检验风速 m/s

各阶段颤振临界风速见表4。对于本桥B/H=37.5/5=7.5,介于4～8之间,可用Vcr=5ft×B计算颤振临界风速[5,6]。

成桥状态：Vcr=5×2.78×37.5=521.3m/s。

最大双悬臂施工状态：Vcr=5×2.75×37.5=515.6m/s。

颤振临界风速远大于颤振检验风速,不会发生颤振。

3.2.3 颤振稳定性的分级

本桥在成桥运营状态及最大双悬臂施工状态的抗风稳定性等级为Ⅰ级,表明抗风稳定性十分安全。

表4 弯扭耦合颤振临界风速

4 结语

1)部分斜拉桥由于其主梁抗弯、抗扭刚度大,基本自振周期较短,不属于柔性结构,结构动力特性主要由梁的动力特性决定,接近连续梁桥的动力特性。

2)对于部分斜拉桥,其主要振动形式为主梁的竖向弯曲,主梁扭转振型出现很晚。尽管单索面布置使索不能提供抗扭能力,但是主梁抗扭刚度很大,扭转基频与竖向基频之比在 2以上,因此弯扭耦合颤振临界风速明显提高,有良好的抗风性能。

[1] 刘世忠,欧阳永金.独塔单索面部分斜拉桥力学性能及建设实践[M].北京：中国铁道建设出版社,2006.

[2] 陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社,2005.

[3] 项海帆.现代桥梁抗风理论与实践[M].北京：人民交通出版社,2005.

[4] JTG D 60-2004,公路桥涵设计通用规范[S].

[5] JTG/T D60-01-2004,公路桥梁抗风设计规范[S].

[6] 项海帆.公路桥梁抗风设计指南[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

马 韬(1977-),男,硕士,工程师,中铁第一勘察设计院集团有限公司,陕西西安 710043