三塔悬索桥空气动力稳定性分析.docx

三塔悬索桥空气动力稳定性分析 目前，基于双链的单或三跨桥系统目前主要采用基于双链的单跨或三跨桥系统。在近年来的跨海工程及大型越江工程中, 三塔悬索桥作为备选方案曾多次被提出。研究表明, 在特殊情况下, 当地条件可能更适合于建造多于两个桥塔的多塔多跨悬索桥, 其跨径达到2 000～3 000 m也是经济的。 与采用中间主跨一跨跨过的双塔单主跨悬索桥相比, 三塔双跨悬索桥可以大大减小主跨跨径, 显著减小主缆拉力及锚碇规模, 其综合造价随之降低, 因而在大跨径桥梁建设中具有竞争力。至今, 三塔悬索桥在国内外还没有成功修建的工程实例, 但在国内外大跨径桥梁设计中屡次提出了这种桥型方案, 如智利的Chacao海峡桥、武汉阳逻长江大桥、南京长江四桥、马鞍山长江大桥和泰州长江大桥等, 其中正在建设中的马鞍山长江大桥和泰州长江大桥都采用了三塔双跨悬索桥桥型方案。大跨径多塔悬索桥由于具有较强的跨越能力和良好的经济性能, 势必能在本世纪跨海连岛工程中得到更多的实际应用。 与传统双塔悬索桥相比, 大跨径多塔悬索桥由于中间桥塔缺乏有效的纵向约束, 导致结构整体刚度的进一步降低, 结构自振频率减小, 因而其抗风稳定性问题可能将更加突出。为了提高三塔悬索桥的结构刚度, 国内外学者从主要结构参数、提高中间桥塔的刚度和调整缆索系统等方面入手, 对三塔多跨悬索桥的静力和动力特性进行了分析和研究, 得出了一些设计建议。众所周知, 风作用下的结构稳定性已成为控制大跨径悬索桥设计和施工的关键因素。因此, 前期对大跨径多塔悬索桥的结构体系和设计参数的研究仅仅考虑静力和动力特性是远远不够的, 还必须考虑重要的抗风稳定性。相比之下, 目前对大跨径多塔悬索桥抗风稳定性研究则非常少。 为此, 本文以在建主跨为1 080 m的三塔双跨悬索桥——泰州长江公路大桥为工程背景, 采用三维非线性空气动力稳定性分析方法, 分析主缆矢跨比、加劲梁恒载集度、加劲梁支承方式、中塔型式、缆索体系等结构参数对三塔悬索桥空气动力稳定性的影响, 指出了关键影响参数及合理抗风设计建议。 1 梁、板、塔、塔横桥结构 泰州长江公路大桥位于长江的泰州～常州段, 居于润扬长江公路大桥和江阴长江公路大桥之间, 该桥的跨径布置为390 m+1 080 m+1 080 m+390 m, 见图1所示。两个主跨矢跨比相同, 均为1/9, 主缆横向间距为35.8 m, 吊杆间距为16 m。加劲梁采用扁平状流线型钢箱梁, 梁宽为39.1 m, 桥面中心线处梁高3.5 m。索塔横桥向采用门式框架结构, 两边塔为混凝土塔, 中间塔为钢塔, 混凝土边塔高178 m, 钢质中塔高182.50 m, 两个边塔在纵桥向为单柱形结构, 而中间桥塔则采用人字形结构, 以增强纵桥向刚度。该桥的材料与截面特性参数见表1。 2 结构的振型分析 根据结构总体布置及构造特点, 建立全桥成桥状态空间有限元模型。其中, 加劲梁、桥塔、横梁用空间梁单元模拟;主缆、吊杆用单向受拉空间杆单元模拟, 并考虑主缆和吊杆初应力刚度的影响;吊杆和加劲梁通过刚臂连接形成“鱼骨式”计算模型。采用基于子空间迭代法的动力特性有限元分析程序, 考虑结构的几何非线性因素, 分析了该桥成桥状态的前20阶振型, 其中桥面主梁的主要振型情况见表2。在此基础上, 采用三维非线性空气动力稳定性分析程序, 在0°和±3°风攻角下, 对该桥进行了空气动力稳定性分析, 颤振临界风速见表3。分析时, 桥面主梁的气动导数取自该桥节段模型风洞试验结果, 并考虑结构前20个模态的参与, 模态的阻尼比为0.5%。 可以看到, 表2所示的本文计算结果与ANSYS软件分析结果非常一致, 同时表3的计算结果与试验结果也非常吻合, 说明了本文所采用的分析方法和程序的可靠性。各风攻角下该桥的颤振临界风速均高于成桥状态的颤振检验风速 (57.4 m/s) , 因而满足气动稳定性要求。根据三维空气动力稳定性分析可知, 加劲梁一阶反对称扭转模态为颤振的主要参与者, 而加劲梁一阶反对称竖弯和一阶正对称竖弯两个模态也明显参与了颤振运动。 3 塔悬索桥空气动力稳定性分析 基于该桥, 改变主缆矢跨比、加劲梁恒载集度、加劲梁支承方式、中塔型式、缆索体系等结构参数, 建立相应的桥梁设计方案及有限元计算模型, 采用三维非线性空气动力稳定性分析程序, 分析各结构参数变化对三塔悬索桥空气动力稳定性的影响, 并探讨了具有良好抗风稳定性的三塔悬索桥结构布置型式。从上述分析和试验结果可知, 该桥在正的风攻角下, 结构的空气动力稳定性最不利, 因此以下分析中仅考虑0°和+3°两种正风攻角情况。 3.1 佐以佐助性分析结果 悬索桥设计常用矢跨比在1/8～1/12范围内, 以矢跨比作为参数发生变化, 同时改变主缆的线形、初始应变以及桥塔高度, 建立