赫章特大桥施工最大悬臂状态风致抖振响应分析*

杨鸿波

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司　贵阳　550081)

赫章特大桥施工最大悬臂状态风致抖振响应分析*

杨鸿波

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳550081)

摘要文中以赫章特大桥为研究对象，进行了最大悬臂状态风致抖振响应分析。对桥址区风环境进行数值模拟，在此基础上开展最大悬臂施工阶段的风致抖振响应分析，获得了结构内力、位移响应规律。采用Diekemann舒适度指标对该桥施工人员的安全性和舒适性进行预评。分析结果表明，施工最大悬臂状态在抖振作用下的Diekemann舒适度指标值较小，对施工人员安全性、舒适性影响不大。

关键词连续刚构桥最大悬臂施工状态抖振响应Diekemann 指标

随着连续刚构桥墩高和跨度的不断增加，结构趋于轻柔化和长细化，风致振动问题更为显著。尤其风致抖振问题在大跨度连续刚构桥施工过程需要重点关注[1]。同时，高墩大跨连续刚构桥悬臂施工合龙前结构体系尚未形成，使得风致抖振问题更为突出，因而风致振动响应就成为桥梁设计、施工人员十分关心的问题[2]。本文以赫章特大桥为背景工程，首先开展大桥周围风环境数值模拟，基于随机抖振分析理论，利用谐波合成法模拟脉动风场，建立抖振力风荷载模型，采用有限元对该桥进行了脉动风场的抖振分析,并利用抖振分析结果对该桥施工人员的安全性和舒适性进行了评估。

1工程背景

赫章特大桥为贵州毕威高速公路赫章段的一座跨河特大桥。主桥上部结构为96 m+2×180 m+96 m预应力混凝土连续刚构桥。桥梁下部结构主墩为薄壁墩空心墩，11号主墩高达195 m，为预应力连续刚构世界第一高墩。构造示意图见图1、图2。

图1　赫章特大桥总体布置图(单位：cm)

图2　11号主墩构造图(单位：cm)

2西部山区风环境数值模拟

在平原和沿海地区, 其桥位处的风特性大多属于A类或B类地貌。对于这2类地貌的风环境特性,我国的桥梁抗风设计规范已经给出了相应的平均风剖面与湍流特性参数，抗风计算或风洞试验时可以直接采用。但对位于地形复杂的山区桥梁，桥址处风场复杂，目前国内外桥梁风工程界的相关研究非常少，我国抗风设计规范中也没有明确处理方法，峡谷和山口因两侧山高，气流受阻, 在峡谷、山口处形成高风速区, 通常风速增大10%～20%，相应地风压增大20%～40%，因此对赫章特大桥桥址处进行了风特性数值模拟。

模拟中在桥位上设置14个风速监测点，所有的风速监测点通过与设置在地面附近的气象站风速观测点进行风速大小对比来标定桥位处的风速分布。风速测点对应分别为桥面上各个桥墩位置及主跨的跨中位置分别对应的1～7测点，11号主墩的3个测点(桥墩1/4，1/2，3/4高度处)及旁边4个桥墩中间位置处布置的4个测点，监测点布置见图 3。为了进一步获得场地地形类别参数，将桥位处不同高度处的修正系数与桥位10 m高度的修正系数(数值计算为0.78)相比，建立桥位风速修正系数关系图，见图4，拟合结果显示α=0.21最接近分析结果，由此可见桥位场地类别接近C类场地。

图3　桥位风速监测点布置图

图4　风场指数拟合结果

3脉动风场模拟

脉动风场的数字模拟是时域抖振分析的前提[3]。本研究采用FFT技术对随机过程进行了模拟，从而获得各质点处的脉动风速时程。施工阶段设计基准风速为33.2 m/s。11号主墩主梁分为12块，编号方式为主梁与桥墩连接处依次向左为第1~6块，依次向右为第7~12块，桥墩从上至下依次为13~18块。10号、12号主墩主梁分为12块，桥墩分为4块，编号方式各墩相同。分块后，所得的风速块区域中心点离地面高度见图5。经FFT模拟计算，11号主墩1号块和12号主墩的脉动风速-时程曲线见图6。

a)　11号主墩

b)　12号主墩

a)　11号主墩

b)　12号主墩

4施工最大悬臂状态动力特性分析

采用ANSYS建立主墩最大悬臂施工阶段下有限元模型，对该模型进行结构动力特性分析。其中主梁与墩柱采用三维空间梁单元模拟，整个桥梁的上部结构在承台处固结。由表1可见，在11号主墩施工最大悬臂阶段，第1和第2阶振型分别为桥墩纵桥向和侧向弯曲，前两阶自振频率分别为0.152和0.188 Hz，而第3阶自振频率为0.376 Hz，说明前两阶振型对结构振动起主要控制作用。12号主墩施工最大悬臂状态前3阶自振频率分别为0.163，0.214，和0.263 Hz，而第4阶自振频率为0.551 Hz，说明前3阶振型对结构振动起主要控制作用。

表1　主墩施工最大悬臂状态动力特性分析表

5结构抖振响应分析

将风速时程转化为抖振力时程，施加在相应的节点上，进行瞬态分析，分析采用时间步长为0.01 s，结构阻尼比为0.02。作用在结构上的抖振力可以按照下式计算：抖振响应分析中结构受到的风荷载包括静风力、抖振力。由于混凝土连续刚构桥刚度较大，可不考虑自激力作用，抖振力采用Davenport抖振力模型[4-6]，抖振分析采用前40 s风速时程，计算得到11号主墩和12号主墩主梁上迎风侧悬臂端节点位移，其时程曲线见图7。

a)　11号主墩

b)　12号主墩

5.1　结构抖振响应结果分析

最大悬臂施工阶段抖振响应分析分别取11号主墩和12号主墩结果为参考对象，在脉动风作用下，11号主墩竖向位移最大值为2.568 cm，横桥向最大位移为7.301 cm；竖向位移平均值为0.701 cm，横桥向位移平均值为4.632 cm。12号主墩竖向位移最大值为1.823 cm，横桥向最大位移为14.457 cm；竖向位移平均值为0.128 cm，横桥向位移平均值为3.595 cm，关键点位移响应见表2。

表2　关键点位移响应　cm

5.2　施工人员安全性和舒适性评价

桥梁振动会对人体产生心理和生理效应。风引起的桥梁抖振会引起施工人员的不舒适和不安

全感。人对谐振的感觉和反应通常可用Diekmann 指标K值来衡量，其评定标准见表 3和表 4。

表3　Diekemann 指标K计算公式

表4　Diekemann 指标K评定标准

尽管抖振响应不是一个单一频率的谐振, 但由于横向振动和竖向振动均由一种模态起控制作用，故仍可以当作单一频率的谐振来对待。该桥最大悬臂施工阶段横向、竖向自振频率值及Diekmann指标值见表5和表6。

表5　11号主墩最大悬臂施工状态K值

表6　12号主墩最大悬臂施工状态K值

结果表明，各主墩最大悬臂施工状态时的横向振动和竖向振动的K值均小于10，即未超过人员在短时间内能承受的容许值,因此该桥风致抖振响应下施工人员的安全性和舒适性良好。

6结论

开展了西部山区地形风环境数值模拟，在西部山区脉动风的影响较大，它是引起桥梁抖振的重要原因。分析和比较了施工阶段的桥梁动力特性，11号主墩最大悬臂施工状态桥墩纵向弯曲和桥墩侧弯是主要控制振型，12号主墩最大悬臂施工状态主梁单幅侧弯、桥墩单幅纵桥向弯曲和桥墩单幅侧弯是主要控制振型。各主墩最大悬臂施工状态时的横向振动和竖向振动的K值均小于10，即未超过人员在短时间内能承受的容许值，因此该桥风致抖振响应下施工人员的安全性和舒适性良好。

收稿日期：2015-09-01

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.002