蜀南竹海大跨度人行悬索桥抗风性能分析

林智敏, 罗照鑫, 杨培森

(1.成都大学,四川成都 610106;2.四川西南交大土木工程设计有限公司,四川成都 610031)

1 桥梁概况

蜀南竹海作为4A级国家级风景名胜区,被评为中国最美的十大森林之一,但内部经营方式较单一,缺少特色体验互动类型的旅游项目。根据景区发展需要,拟建设一座大跨度的人行悬索桥,增加游客的选择性与趣味性。根据前期规划及方案设计,桥梁选址距离景区游客中心约11 km,位于七彩飞瀑景区东北侧,跨越深度约220 m的峡谷。

本桥采用双索面地锚式悬索桥,主跨主缆跨度320 m,矢跨比1/10,主梁总长300 m,标准段宽度3 m。钢箱梁采用分离式双箱,通过横隔梁形成纵横相间的格子体系,上面铺设钢化玻璃。全桥设4个主塔,均为独柱结构,下设桩基承台。两岸锚碇均为重力式锚碇[1](图1)。

图1 桥梁总体布置(单位:m)

由于本桥跨度大,宽度小,抗风稳定性问题较为突出。为提高桥梁的抗风性能:①主缆采用空间缆的布置形式,从跨中到边跨逐步展开;②在桥梁两侧下方斜平面对称布置抗风索;③主梁采用分离式钢箱梁的形式,两侧设置风嘴。在采取了上述措施后,对桥梁的抗风性能进行计算分析,验证其效果。

2 设计风参数的确定

桥位处于四川省长宁县蜀南竹海景区,可以取周边气象站的参考数据,桥位距离宜宾气象站较近,根据国家气象资料,截止到2015年,可以推算到宜宾100年一遇基本风速为25.10 m/s。桥位地处山区峡谷,可以归为D类地表,根据我国JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》计算得到桥面设计基准风速为26.95 m/s,主梁成桥状态颤振检验风速为53.42 m/s,主梁成桥状态静风稳定检验风速43.12 m/s。

3 结构动力特性计算分析

桥梁在风作用下的响应和桥梁的结构动力特性关系密切,因此结构动力特性是进行结构动力响应分析的前提。通过结构动力特性分析,可得到桥梁结构的频率分布及振型特点,并为后续的抗风分析提供相应的计算基础数据。在与桥跨垂直的横向风的作用下,桥梁结构会在发生相应的平动和转动,其位移方向体现出明显的空间性。因此计算模型应采用三维模型,并准确地模拟桥梁刚度和质量的空间分布特点。

蜀南竹海人行悬索桥有限元模型采用双主梁进行模拟,每隔5 m设置一道横梁,吊杆连接点与主梁之间采用刚臂进行连接。主缆及吊杆采用空间杆单元。成桥状态结构的边界条件:

(1)主梁与桥台部分,主梁竖向、横桥向自由度均与桥台变位主从,顺桥向自由度放松。

(2)主缆及抗风索端部约束所有自由度。

(3)索塔底部约束所有自由度,不考虑桩土相互作用。

(4)主缆与索塔顶端连接部分,主缆顺桥向、横桥向、纵向均与索塔主从[2]。

各部分构成了蜀南竹海人行悬索桥结构有限元模型,整个模型共有409个节点,739个单元。图2为采用ANSYS软件建立的结构有限元模型。

图2 蜀南竹海人行悬索桥结构有限元离散

对蜀南竹海人行悬索桥进行成桥状态下结构有限元模态分析,其主要自振频率见表1。

表1 结构动力特性计算结果

桥梁一阶竖弯及一阶扭转振型如图3、图4所示。

图3 桥梁一阶竖弯振型

图4 桥梁一阶扭转振型

4 静风稳定性分析

4.1 分析方法

桥梁结构的空气静力稳定性体现在两方面,一方面考虑结构是否出现侧向屈曲,另一方面考虑原结构是否扭转发散。

当风速达到桥梁的空气静力失稳的临界风速时,桥梁将产生失稳,因此导致灾难性的后果。因此,对桥梁结构而言,静风稳定性的要求表述为静力失稳的临界风速必须大于空气静力稳定性检验风速。

确定空气静力失稳临界风速的方法有2种:全桥气动弹性模型风洞试验和基于静力三分力系数的计算分析。通过全桥气动弹性模型风洞试验直接测量临界风速的方法会造成模型损坏,通常不便于实施。基于静力三分力系数的计算分析,传统方法是基于线性理论,将侧向屈曲和扭转发散分别处理,得到的临界风速值显著高于真值。更为精确的方法是利用非线性有限元法对结构进行风荷载—位移非线性分析。实践证明,这种方法具有良好的精度。因此采用该种方法进行分析。

进行非线性分析时,静风荷载非线性是指静风荷载作用随着主梁断面发生扭转变形同步发生非线性变化的过程。随着风速的增加,主梁将发生扭转,结构的受力初始形态发生变化,三分力系数随之改变,从而导致主梁上的静风荷载发生变化。由此可见,作用于主梁上的静风荷载是随着主梁的位移变化而同步变化的。在进行计算分析时,应将主梁上的静风荷载定义为以主梁位移为变量的函数[3]

在保证对结构进行合理的抽象和简化的过程中准确反映结构质量和刚度的空间分布,以及保证所建立的边界条件真实反映结构的工作行为的基础上,建立三维计算模型,采用空间杆系来模拟结构行为。分析所用的计算模型及结构状态与前面的结构动力特性分析所用者相同。

在计算发散风速时,首先假定一组基准风速,通过计算分析得到主缆拉力机主梁的扭转角度,以此缆力及主缆扭转角度作为新一级的初始状态输入模型,再重复上一次计算,反复迭代,直至模型发散为止。在计算过程中,应合理取用风速步长,以得到较为准确的计算结果。

4.2 分析结果

按照上述方法分别计算了蜀南竹海悬索桥成桥状态0°风攻角下的静风失稳临界风速。图5～图7为0°攻角下,蜀南竹海悬索桥成桥状态空气静力稳定性分析所得主梁跨中竖向位移、横向位移及扭转角随风速变化情况。

图5 成桥状态跨中竖向位移随风速变化情况

图6 成桥状态跨中横向位移随风速变化情况

图7 成桥状态跨中扭转角随风速变化情况

计算所得蜀南竹海悬索桥成桥状态的静风临界失稳风速为70.6 m/s,大于相应状态的静风失稳检验风速43.12 m/s,表明该桥的静风稳定性满足要求。

5 颤振稳定性分析

颤振是一种自发性的自激振动,主要是由于振动结构能够在流动的空气中不断吸收能量,当桥梁所吸收的能量不能完全被结构本身的阻尼体系所消耗吸收,多余的能量会使桥梁结构的振幅逐渐增大最终引起桥梁的发散振动[4]。

本桥采用开口型的分离式双箱断面,这种断面形式常用于大跨度的斜拉桥和悬索桥。但这种分离式双箱截面气动稳定性较差,而颤振对于主梁的气动外形十分敏感,所以采用分离式双箱截面的斜拉桥和悬索器常要采用额外的构造措施进行气动性能优化。对于本桥而言,梁宽较窄,未增加额外的气动性能优化构造措施,但必要的颤振稳定性分析必不可少[5]。

根据JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》进行计算,桥梁的颤振临界风速为58.56 m/s,高于53.42 m/s的颤振检验风速,因此桥梁颤振稳定性满足要求。

6 涡激振动稳定性分析

涡激振动是大跨度桥梁在低风速下很容易出现的一种风致振动现象,其带有自激性质,振动的结构反过来会对涡脱形成某种反馈作用,使得涡振振幅受到限制。来流经过桥梁断面时,必然会发生绕流现象,其截面背后的周期性漩涡脱落将产生周期变化的作用力—涡激力。当被绕流的物体是一个振动体系时,周期性的涡激力将引起结构的涡激振动,并且在漩涡脱落频率与结构的自振频率一致时发生涡激共振[6]。

对于主梁,涡激振动形式主要表象为竖直方向的振动和扭转振动。与颤振的发散性不同,涡激振动振幅有限,短时间不会对桥梁造成失稳的破坏性后果。但由于涡激振动具有时长较长的特点,对于桥梁上的行人会产生严重的不适感,更为严重的情况下甚至会导致钢结构桥梁发生疲劳开裂。

按照JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》对主梁的涡激振动特性作出评价。经计算,悬索桥的涡激振动性能如表2所示,结果表明蜀南竹海人行悬索桥涡激振动性能满足规范要求[7]。

表2 成桥状态涡激振动性能计算结果

7 结论

蜀南竹海人行悬索桥宽跨比极小,桥梁的抗风稳定性问题非常突出。经计算分析,桥梁的静风稳定性、颤振稳定性及涡振稳定性均满足使用要求,表明所采取的设置空间索、抗风索及分离式钢箱等措施对改善本桥的抗风性能是有效的。