大跨度钢桁架拱桥施工期抗风研究

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随着桥梁建造技术的迅速发展,钢桁架拱桥最大跨径已超500m。大跨钢桁架拱桥施工阶段的约束相比成桥运营阶段更弱,且施工期随着梁拱悬臂长度的不断增大,结构整体刚度在不断变小,风致振动风险也逐渐增大。因此,对大跨钢桁架拱桥施工期的抗风性能进行研究具有重要意义。目前在建的广州南沙明珠湾大桥为跨径布置(94.8+164+436+164+96+58.8)m的钢桁架桥,是目前跨度最大的三主桁拱桥。大桥位于广州沿海强风区,设计风速高,台风出现的概率大,其施工期抗风问题突出。本文以明珠湾大桥为工程背景,采用有限元仿真、理论分析及风洞试验等手段,对大跨度钢桁架拱桥施工期动力特性、抗风性能进行了研究。主要研究内容与结论如下:(1)根据施工步骤确定拱桥的7个典型施工工况后,基于Ansys建立了拱桥典型工况下的有限元模型,并对典型施工状态动力特性进行模态分析,得到了钢桁拱桥施工期动力特性变化特征。结果表明:随着施工期梁拱悬臂长度的增大,桥梁的自振频率总体上呈现下降趋势;在相同悬臂施工长度时扣索张拉后的竖弯频率增大,而横弯、扭转频率与扣索张拉前基本一致,可见扣索对于竖弯频率影响较大;可初步判断工况(2)(即拼装至最大单悬臂长213m且第三层扣索尚未张拉时)为最不利施工状态,该工况对应一阶横弯频率和一阶竖弯频率分别为0.329Hz和0.432Hz。(2)基于Davenport的抖振力荷载模型及节段模型风洞试验结果,进行了大桥施工状态的抖振响应时域分析;研究了三种抗风索布置对最大悬臂施工状态拱桥抖振响应的减振抑振效果。研究表明:主梁及拱肋最大抖振位移响应均出现在最大悬臂状态(即工况(2)),主梁悬臂端竖向峰值位移47.3cm、拱肋悬臂端竖向峰值位移45.7cm。并提出三种抗风索布置方案,方案1为两根抗风索交叉布设,索的一端锚固于拱脚墩顶,另一端张拉在主梁1/2悬臂处的下弦杆;方案2为两根抗风索交叉布设,索的一端锚固于拱脚墩顶,另一端张拉在主梁悬臂端的下弦杆;方案3为两根抗风索交叉布设,索的一端锚固于拱脚墩顶,另一端张拉在拱肋悬臂端的下弦杆。研究发现针对工况(2)采用抗风索方案3可有效减小主梁竖向位移,峰值由47.3cm降低至35.1cm,降幅约为25%,而对横桥向与顺桥向位移作用较小,且不会增大横桥向位移作用。(3)采用CFD数值模拟方法计算了施工期三种扣索截面的三分力系数,并基于Den Hartog准定常驰振判据对三种扣索断面驰振性能进行评价。结果表明:A型扣索截面(高0.228m,宽0.228m)在-4°和7°风攻角附近区间存在发生驰振的风险,B型截面(高0.311m,宽0.228m)和C型截面(高0.228m,宽0.311m)在-12°~+12°风攻角区间内发生驰振的可能性很小,较为安全。在工程中推荐采用B型和C型扣索,同时应尽量避免使用A型截面扣索。(4)针对背景工程最不利工况(2)制作1:100气弹模型并开展了风洞试验,还将试验结果与前述有限元分析结果进行了对比研究,得到结论如下:与完全横桥向来风的0°风偏角测试结果对比可知,有风偏角后的抖振响应相对更小;在0°风偏角的设计风速条件下,拱肋和主梁悬臂端的竖向位移均方根分别为53.6mm和47.1mm,结构强度和稳定性满足安全要求。风洞试验测试结果明显小于抖振有限元分析结果(132mm和128mm),通过进一步验证发现主要是由于试验模型阻尼比偏大导致。本文以一座在建的大跨度钢桁架拱桥为背景,研究了施工期的抗风性能变化,提出的抗风索方案能降低最大抖振位移约25%。研究成果可为同类工程提供参考。
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