08-静风荷载下的大跨度斜拉桥稳定性分析.pdf

第 卷 第期 年月合 肥 工 业 大 学 学 报（自 然 科 学 版）收稿日期：；修回日期：基金项目：国家自然科学基金资助项目（）作者简介：康小方（），男，江西抚州人，合肥工业大学硕士生；方诗圣（），男，安徽岳西人，博士，合肥工业大学教授，硕士生导师 ：静风荷载下的大跨度斜拉桥稳定性分析康小方，方诗圣，张利，方飞（合肥工业大学 土木与水利工程学院，安徽 合肥 ；中铁合肥建筑市政工程设计研究院有限公司，安徽 合肥 ）摘要：由于风荷载对斜拉桥的作用比较敏感，尤其是对于柔性大跨度斜拉桥。文章基于伯努利方程推导整个断面的方向静风荷载原理，并采用内外增量双重迭代以及发散机理的数学描述给出静风稳定性计算过程；结合斜拉桥本身特性，分析了某跨江大跨度斜拉桥的横桥向风荷载和竖桥向风荷载的影响；使用大型有限元软件 建立桥梁模型，并进行成桥状态静风荷载下的特性分析，据此来评估该桥的静力抗风性能，为相关桥梁的抗风性能分析与设计提供依据。关键词：大跨度斜拉桥；非线性；静风稳定；抗风性能中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，；，）：，：；引言斜拉桥是典型的柔性结构，尤其是大跨度斜拉桥，在风荷载作用下很容易发生振动和变形，历史上因风振而发生毁桥事故时有发生，所以风荷载对斜拉桥的影响应引起关注。研究大跨度斜拉桥在自然界风荷载作用下的强度、刚度和承载能力，使其在大风过程中仍能起到交通运输的纽带作用，具有重要意义。文献探讨了不同参数对大跨度斜拉桥静风稳定性的影响；文献 进行了大跨度斜拉桥的静态和动态稳定性分析；文献 提出了柔性结构的峰值振动可靠性分析方法；文献 提出了时域分析方法计算风致响应的等效静力求解体系；文献 分析了桥梁在考虑恒载初始变形时的风动力不稳定性；文献 探讨了结构空气静力失稳机理；文献探讨了静风荷载非线性、风速空间分布非均匀性等因素对斜拉桥静风稳定临界速度的影响。本文考虑风攻角、竖桥向风荷载和横桥向风荷载等因素对大跨度斜拉桥的稳定性影响，并比较了竖桥向风荷载和横桥向风荷载对大跨度斜拉桥内力和位移的影响，发现竖桥向静风荷载也是不容忽视的因素。静力风荷载与风致静力失稳原理分析处于风场中的桥梁断面，在忽略其自身振动条件下，可以视为风场中固定不动的一个刚体。来流经过这一刚体时，必然会发生绕流现象，使得流线分布发生改变。对于任意一根流线，依据伯努利方程：常数（）其中，为来流速度；为流体密度；为流体压强。因此，在桥面断表面流动较快的点上，压强将小于流动较慢点上的对应值，对桥梁断面上下表面压强差的面积分，是桥梁所受的升力荷载，该力也可以直接由节段模型风洞试验测得。同理，桥面断表面前后表面的压强差的面积分，则是桥梁所受的风阻力荷载，即风荷载。此外，由于升力与阻力的合力作用点往往与桥梁断面的形心不一致，于是会产生对形心的扭矩。有时（例如风洞实验中）需要按风轴坐标系来测定三分力，因此整个断面的风荷载包含升力、阻力与扭矩个分量以及升力、阻力，如图所示。图风轴与体轴坐标系及其动力的方向由图可得：烄烆烌烎 （）烄烆烌烎（）作用在大跨度斜拉桥主梁单位长度方向上的静力荷载按方向的风荷载 来计算：（）（）（）其中，、分别为主梁体轴横向阻力、竖向升力、扭转力矩系数；、分别为主梁的高度和宽度；为离断面足够远的上游来流平均风速。因为、随风攻角会有相应的变化，一般情况下取偏于安全风攻角 范围内的最大值。投影高度应计入栏杆或防撞护栏以及其他桥梁附属物的实体高度的影响。形状复杂的主梁断面的空气静力系数、应通过风洞实验确定。在给定风速的情况下，结构承受初始风荷载，在风荷载作用下桥梁结构会产生变形，由于静力三分力系数是结构变形（扭转角）的函数，变形增量会反馈影响风荷载从而增加一个外荷载增量，因此建立全桥三维有限元模型进行静风稳定精细化分析十分必要。文献 对大跨度桥梁的静风稳定性做了进一步的研究，考虑了结构的几何与材料非线性、扭转角沿桥轴线的不均匀以及初始攻角的影响，采用内增量与外增量结合的迭代方法建立有限元平衡方程：（）（）（）其中，（）为结构物的切线刚度矩阵；为结构位移增量向量；（）为结构所受外荷载增量向量。发散机理的数学描述为：（）从数学上来说，给定风速下结构是否会出现失稳归纳于以上无穷级数的收敛问题，一般情况下，假设级数项小于某一给定收敛向量时，则认为级数收敛，但级数项的收敛并不意味着级数的收敛。内外增量双重迭代计算的步骤为如下。（）给定风速下全桥静力三分力分布。（）形成初始风荷载在沿桥梁轴线方向加载截面处的扭转角向量为：（）扭转角增量向量可初始化为零，即）（）（）采用全 方法进行非线性求解。（）求 扭 转 角 位 移 向 量 ，由本级与上级扭转角向量的差值，可以求出扭转 角 位 移 增 量 向 量 ，其中 （）（）。（）检查扭转角增量是否小于收敛范数（一般取 ）。（）如果不满足步骤（），则根据结构新的状态修正三分力并重复步骤（）（）。进行三分力修正的扭转角向量取值为：第期康小方，等：静风荷载下的大跨度斜拉桥稳定性分析（）其中，为松弛因子，可根据具体情况取值，一般为。如果满足步骤（），则本级风速收敛，调整风速进入下一级风速计算。大跨度斜拉桥案例及模型的建立该斜拉桥为广东省某跨江大跨度斜拉桥。主桥孔径布置为 ，采用钻石型塔、双索面、扇形布置、预应力混凝土和钢箱梁主梁，主跨径两侧各设辅助墩。主梁梁高为，高度为 ，辅助墩身高为 。该地区年最大风速 。由于该斜拉桥跨度较大，所处桥址为台风较多地区，有必要对其成桥状态的抗风性能进行分析。使用大型有限元分析软件 ，根据桥梁实际设计尺寸建立模型。结构共 个节点，个单元；主梁钢箱梁、主梁混凝土箱梁、桥墩以及桥塔结构均采用空间三维梁单元建模，考虑到该桥跨度较大，受荷载影响较大，故斜拉索建模不宜采用桁架单元，而应采用空间三维索单元，如图图所示，图中数据的单位为。图大跨度斜拉桥总体正立面布置图图主梁截面布置图图大跨度斜拉桥 模型模型计算结果分析本文取初始攻角，采用内外增量双重迭代来计算斜拉桥结构在静风荷载下的效应。对主梁进行软件模拟实验，得到的主梁坐标体系下的静三分力系数如图 所示。以 的初始风速，风速步长取 进行逐级加载。跨中节点横向位移随风速的变化过程如图 所示；跨中节点竖向位移随风速的变化过程如图 所示，跨中节点主梁扭转角度随风速的变化过程如图 所示。图三分力系数曲线以及主跨跨中位移合肥工业大学学报（自然科学版）第 卷从图 图 可看出，在风攻角为 时，随风速的增大，主梁结构的横向、竖向和扭转位移均呈非线性变化。尤其是当风速达到 以上时，主梁结构的横向、竖向和扭转位移呈现急剧增加，随着风速的增加，结构出现迅速的软化，最终出现结构失稳。以下取极限风速为 建立静风荷载加载模型，对桥分别以竖桥向风荷载加载和横桥向风荷载加载，考虑竖桥向风荷载和横桥向风荷载对整桥主梁的影响，其结果如图、图所示。图主梁竖桥向风载与横桥向风载内力图主梁竖桥向风载与横桥向风载位移由图可看出，在主梁轴力、弯矩和剪力图中，竖桥向风荷载奉献较大，横桥向风荷载几乎无任何影响；在主梁扭矩、剪力和弯矩图中，横桥向风荷载奉献较大，竖桥向风荷载几乎无任何影响。由图可知，与横桥向风荷载相比，竖桥向风荷载在竖桥向位移和竖向位移影响较大；而在主梁横桥向位移和主梁扭转角度中，横桥向影响较大。结论本文通过伯努利方程推导出了整个断面的方向静风荷载原理，采用内外增量双重迭代以及发散机理的数学描述给出了静风稳定性计算步骤，并结合大型有限元软件 给出了极限风速作用下全桥主梁内力和位移数据。本斜拉桥在静风荷载作用下的变形是结构的横向、竖向和扭转共同耦合的结果，而不是单纯的 线 性 关 系，在 具 体 工 程 设 计 中，应 给 予考虑。从主梁内力图可知，竖桥向风载和横桥向风载对斜拉桥影响都不可忽视；在位移图中，除顺桥向位移外，边跨位移值明显小于中跨位移值，其辅助墩处最大值小于中间跨度最大值的 。因此，辅助墩的增加有助于提高桥的抗风能力。在对桥梁进行抗风设计时，应充分考虑横桥向风荷载对整桥的影响。必要时，应在塔梁连接第期康小方，等：静风荷载下的大跨度斜拉桥稳定性分析处设置横向阻尼约束来减少横向风荷载对桥梁的影响。对于大跨度桥梁来说，竖桥向风荷载也是不容忽视的，可以改善塔梁竖向连接以及墩梁支座来进行约束。参考文献胡晓伦大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析上海：同济大学，张辉，韩艳，田仲初 大跨度斜拉桥静风稳定性及影响参数分析中外公路，（）：，：余建星，何斌，杨刚 大型斜拉桥风致振动可靠性分析方法地震工程与工程振动，（）：江勇，王肈民，王洪涛 大跨空间钢结构时域等效静力风荷载理论研究 合肥工业大学学报：自然科学版，（）：，（）：程进，江见鲸，肖汝城，等 大跨度桥梁空气静力失稳机理研究土木工程学报，（）：，：王卫峰，颜全胜，李立军，等大跨度斜拉桥侧风非线性分析 吉林大学学报：工学版，（）：陈政清桥梁风工程北京：人民交通出版社，：沈丹，张鸣祥，王建国斜拉桥非线性静风稳定性分析合 肥 工 业 大 学 学 报：自 然 科 学 版，（）：程进，江见鲸，肖汝诚，等 考虑几何与材料及静风荷载的非线性因素的大跨径桥梁静风稳定分析法应用力学学报，（）：（责任编辑闫杏丽）（上接第 页）表系统识别率测试结果车载电器模块测试对象词条数样本数错识别数识别率非安 全性车灯男声 女声 汽车男声 雨刷女声 电动男声 车窗女声 汽车男声 音响女声 自动男声 空调女声 结束语未来汽车电子技术一定是朝着舒适、智能、安全的方向发展，因此，车载电器语音控制技术将有广阔的应用前景。本文设计的语控系统具有较高的识别率，工作稳定、可扩展性强，对将来实现汽车电子智能化控制有一定的实用价值。然而，由于语音识别率受环境因素的影响很大，当在测试过程中存在不同程度的噪声污染时，语音识别系统的识别精度也会有所下降。提高系统的抗噪性和鲁棒性将进一步提高系统的实用价值，为系统的实用化开发奠定基础。参考文献赵力 语音信号处理 北京：机械工业出版社，：王琼，郭恒飞，孙保群 基于 的车载音响声控系统电子技术应用，（）：柳远，刘加，刘润生适于语音处理的 芯片及其数字录放音系统电子技术应用，（）：，（），：夏峰，陆珂伟，陈启军 语音控制的多功能车载终端系统的设计与实现机电一体化，（）：龚伟，汪鲁才 基于隐马尔可夫模型的话者识别研究声学与电子工程，（）：常丹华，郑春蕾基于 的语音识别智能控制系统电子测量技术，（）：韩纪庆，张磊，郑铁然 语音信号处理 北京：清华大学出版社，：卫修明基于汽车 大灯系统的轮速处理信号设计合肥工业大学学报：自然科学版，（）：，（责任编辑吕杰）合肥工业大学学报（自然科学版）第 卷