钢桁架悬索桥抖振响应及其影响参数分析

【摘要】：钢桁架梁及流线型钢箱梁是悬索桥加劲梁的常用形式。钢桁梁具有刚度大、能够适应双层桥面的特点,是公铁两用悬索桥加劲梁的首选形式。在架设困难的山区及峡谷修建的大跨度悬索桥通常也采用钢桁梁。钢桁梁透风性好,不容易发生涡激共振,而且可以通过增设上、下稳定板等气动措施提高颤振性能。然而钢桁梁构件众多,挡风面积大,在自然脉动风作用下的抖振响应将更加显著。此外,一些用于提高颤振稳定性的气动改良措施也会加剧抖振响应。本文以正在修建的湖南澧水大桥(主跨为856m)为工程背景,采用加劲梁节段模型试验与桥梁频域抖振计算相结合的方法研究了钢桁梁悬索桥的抖振性能。主要内容及结果如下: (1)钢桁梁的等效扭转质量矩计算是建立鱼骨型单主梁简化模型的基础。针对直接计算桁梁等效惯性矩的困难,给出了一种基于有限元动力分析的简化计算方法。这一方法通过在桁梁附加扭转质量矩前后的动力特性变化,来反算桁架梁自身扭转质量矩。算例分析验证了这一方法具有很高的精度。 (2)基于等效单主梁模型,应用Davenport准定常抖振分析方法,按平方和开方(SRSS)对澧水大桥进行了顺风向、横风向及扭转方向抖振响应的频域分析,计算时气动阻尼按准定常方法计算。结果表明,抖振位移主要由主梁各方向的一阶振动模态控制,高阶模态的参与效应很小;而对于抖振加速度,高阶模态有较大参与。并采用时程分析法对SRSS的频域分析结果进行了验证。 (3)研究了气动导纳、定常及非定常自激气动力、脉动风速的空间相关性、水平及竖向脉动风速互谱等风场及气动参数对抖振响应的影响。结果表明:(a)考虑气动导纳后抖振响应显著减小,脉动风速的空间相关性及风速的互谱都会显著地影响结构抖振响应;(b)准定常自激力描述竖向及侧向模态的气动阻尼具有足够的精度,但描述扭转模态的气动阻尼还存在很大的近似性。 (4)地貌粗糙度对风振的影响具有双重效应:粗糙的地貌在降低平均风速的同时却增加了紊流度。从水平脉动风速谱出发,本文推导分析了我国公路桥梁抗风设计规范中的四类地貌(不同地貌粗糙度z0)下大气边界层紊流度剖面的取值,并与国内外主要抗风规范进行了对比分析。在此基础上,对澧水大桥四类地貌下的抖振响应均方差和最大值做了比较分析。结果表明,位于平均风速最大、但紊流度却最小的A类地貌下,抖振响应却不一定达到最大值,在工程设计及抗风试验中应予以注意。