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大跨径悬索桥施工期暂态结构抗风性能及控制

李胜利  
【摘要】: 大跨径悬索桥施工期暂态结构刚度较低、工期较长、风环境复杂,成桥时不会发生的风效应存在发生的可能性。具有费时、费力、费财特点的风洞试验,主要针对影响施工安全的关键工况进行研究,对于影响小、工期短的工况不太适合,然而这些工况的施工在一定程度上是以牺牲时间或工作人员的安全性和舒适性为代价的。当前,随着大跨径悬索桥跨度不断增大,对施工要求愈来愈高,施工时间更加宝贵,施工人员的安全性和舒适性也越来越受到重视。同时,随着具有省时、省力、省财特点的数值技术日新月异,用理论知识和计算机来解决大跨径悬索桥施工抗风各种问题成为可能。因此,进行大跨径悬索桥施工期暂态结构的抗风性能和控制更加细致入微的理论分析和数值模拟研究具有一定的理论与实际意义。 本文在综述大跨径悬索桥施工期抗风性能及控制和现场调研的基础上,针对存在的问题和不足,运用ansys、fluent、matlab等软件和现有的风洞试验结果相结合的研究方法,在多方面展开了深入研究,主要内容和成果如下: 1.针对大跨径悬索桥施工期门型变截面桥塔考虑塔柱气动干扰效应影响的驰振性能问题,利用有限元和CFD相结合的方法,提出了一种变截面高耸结构驰振分析的实用数值方法,利用该方法系统分析了大跨径悬索桥桥塔施工期典型工况的驰振性能并研究了气动干扰效应对双塔柱驰振性能的影响。结果表明:本文提出的计算变截面高耸结构的数值方法和所采用的数值风洞湍流模型方法均正确。横桥向,由于塔柱间气动干扰效应的存在,双塔柱整体的驰振性能与不考虑气动干扰效应的单柱的驰振性能不同;与矩形截面柱相比,采用截面倒角的形式对桥塔的驰振性能并不有利。对于单塔柱,矩形截面柱和倒角截面柱的前柱驰振力系数均大于零,后柱均存在小于零的情况,并且后柱的驰振力系数绝对值大于双塔柱整体的驰振力系数绝对值。纵桥向,桥塔双塔柱整体和单塔柱均不存在驰振力系数小于零的情况。对于本文算例的混凝土桥塔施工期各工况方柱截面和倒角截面塔柱不存在驰振失稳的问题。 2.针对大跨径悬索桥桥塔施工期风致抖振性能和施工人员舒适性的问题,采用了ANSYS的瞬态动力学研究方法,研究了某大跨径悬索桥砼桥塔施工期各工况的抖振响应以及组合框架结构形式的砼桥塔施工期的舒适性。研究结果表明:对于门型悬索桥桥塔的施工舒适性来说,最不利工况发生在没有施工横梁的工况,而不是施工的最终裸桥塔工况,传统上仅仅根据位移均方根和最大值来衡量桥塔施工可靠性是不科学的,应该同时考虑狄克曼指标对施工人员舒适性的影响。 3.针对无抗风缆猫道动力特性缺乏理论研究的问题,采用理论建模和ANSYS有限元预应力索结构模态分析的研究方法,对大跨径悬索桥无抗风缆猫道动力特性进行了研究,理论推导了无抗风缆猫道1阶竖向、侧向和扭转振动频率公式,数值分析了各参数对猫道振动特性的影响。结果表明:桥塔对猫道自振频率影响很小;猫道的振动频率随着矢跨比的增加而呈减小的趋势;横向天桥的位置和个数对猫道低阶频率影响很小,对高阶频率有一定影响;平行索对猫道频率几乎无影响,交叉索对猫道低频影响很小,对扭转频率有一定提高;CFRP与钢承重绳猫道的自振频率差别不大,却能大大降低对卷扬机等施工机具的要求。 4.针对大跨径无抗风缆猫道双重非线性静风稳定性问题,结合节段模型风洞试验结果,运用二次开发的ANSYS软件,建立东海某大跨径悬索桥无抗风缆猫道的有限元模型,综合考虑由有效风攻角和有效风速构成的静风荷载非线性和猫道几何非线性的双重影响,采用增量双重迭代搜索法,研究了猫道静风失稳的全过程以及各参数对猫道静风稳定性的影响。结果表明:大跨径猫道的失稳形态主要为空间弯扭耦合失稳,扭转变形对猫道的静风失稳有明显影响,升力和扭转力矩是猫道失稳的关键因素;大跨径猫道的静风稳定性计算必须同时考虑由有效风攻角和有效风速对静风荷载非线性和猫道的几何非线性的影响;不计入猫道结构变形的影响,则会高估猫道的抗静风稳定能力;适当减小横向天桥的间距和增大其刚度可以提高猫道的静风失稳临界风速;随着初始风攻角和猫道矢跨比的增大,猫道的静风稳定性有所下降;设置水平拉索会降低猫道静风失稳临界风速。 5.针对施工期暂态主缆驰振稳定性问题,采用CFD数值模拟和有限元数值计算的研究方法,结合正在建设的东海某大跨径悬索桥,研究了施工期暂态主缆未采取抗风措施时两种常见的施工方案各工况截面的驰振力系数,比较了两种施工方案的优劣,然后针对较优的施工方案,计算了其驰振临界风速。结果表明:尖顶型方案的驰振性能优于平顶型方案并且该桥施工期尖顶型方案暂态主缆存在会发生驰振失稳的工况。 6.针对施工期暂态主缆驰振控制的问题,基于预应力索结构的静动力和瞬态分析,对东海某大跨径悬索桥施工期暂态主缆的辅助索制振参数进行了研究,同时研究了用辅助索控制暂态主缆驰振失稳的具体方案,采用了考虑几何非线性影响的有限元数值分析研究方法,建立了该悬索桥施工期暂态主缆-猫道系统的有限元模型,研究了辅助索位置、布置方式和刚度大小对暂态主缆1阶竖向振动频率的影响;研究了辅助索阻尼、刚度和个数对暂态主缆面内等效阻尼比的影响;最后研究了辅助索控制暂态主缆驰振的具体方案。结果表明:为了提高暂态主缆1阶竖向振动频率,辅助索应该对称竖向布置,且增大辅助索的数目特别是跨中设置辅助索可以较大幅度地提高该频率值;增加辅助索的直径和个数可以较大地增加对暂态主缆的面内制振效果;在该悬索桥中跨12分点处对称竖向布置每组由1根直径为10mm的钢筋组成的11组辅助索时即可控制暂态主缆的驰振失稳。 7.针对大跨径悬索桥迫切需要进行施工期吊梁颤振概率评价的问题。采用风洞试验和可靠性计算相结合的研究方法,结合东海某大跨径悬索桥,编制了可靠度计算程序,对大跨径悬索桥施工期吊梁颤振可靠性及影响参数进行了研究。结果表明:对称架梁初期颤振稳定性最差;施工期吊梁颤振稳定性失效概率随桥位设计风速的变化是非线性的,较大的设计风速对应较大的失效概率,极值风速变异系数对其影响效果有限;地表越粗糙,其失效概率越大;增大风攻角则增大了施工期吊梁颤振失稳的可能性;忽略流场的紊流性能得到的对称施工各阶段颤振失稳分析结果导致施工初期很不安全,施工后期非常保守;采用非对称施工比对称施工具有较好的抗颤振的性能;增大偏心质量比要比增大偏心距对施工阶段颤振失效概率影响明显得多;对称施工时施加竖向交叉式吊杆只能在施工末期提高其颤振可靠性,在施工中期反而会降低其颤振可靠性。


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