大跨径桥梁风荷载及振动特性研究.doc

1、1大跨径桥梁风荷载及振动特性研究摘要:某大桥为主跨 150 米的预应力混凝土高桥墩连续刚构桥，位于峡谷出口处，风速较大。文章利用有限元方法建立其模型，模拟桥梁的施工过程。研究其结构动力学特性和风荷载作用下的应力和变形，为桥梁设计和施工提供参考。 关键词:桥梁；风荷载；振动 Abstract: A bridge of prestressed concrete high pier continuous rigid frame bridge with main span of 150 meters, it is located in the valley exit, wind speed large

2、r. This article uses the finite element method to establish the model, simulation the process of bridge construction. Study the structure dynamic characteristics and wind load under the stress and deformation, and provide reference for bridge design and construction. Keywords: bridge; wind load; vib

3、ration 中图分类号：K928.78 文献标识码： 文章编号: 1 概述 某大桥是高速公路上的一座预应力混凝土变截面连续刚构桥。桥梁主跨 150m，跨径组合为(85+150+85)m，箱梁高度从距墩中心 4.75m 处到2跨中合拢段处按二次抛物线变化,如图 1 所示。 图 1 黑沟大桥布置图 主梁采用单箱单室变截面预应力混凝土箱梁，桥面宽度 26.0m，单幅箱梁顶面宽 12.5m,底面宽 6.5m，翼缘宽 3.O m。顶面设 1.5%的单向横坡。腹板厚度从跨中 0.40m 渐变至墩顶处的 0.80m；底板厚度从跨中 0.32m 渐变至墩梁固结处的 1.20m；顶板厚度 0.28m 渐变至墩

4、顶处的 0.40m。主桥桥墩采用双壁墩，主墩最大高度 45m，左右两幅桥采用整体式承台。 上部结构采用挂篮悬臂浇注施工：箱梁与主墩固结形成两个构，每个 T 构分 20 个施工节段，采用挂篮悬臂现浇法分段对称、独立施工。全桥合拢顺序为：两边跨合拢；中跨合拢；二期恒载，以此顺序进行施工。 黑沟特大桥主墩墩高 45 米，主墩较高，且位于峡谷型河段，设计风速 33m/s，风速较大，由于刚构桥墩和箱梁共同受力，因此，必须进行施工过程中桥梁的动力学分析和风载振动研究，以考虑风载效应对桥梁结构受力、变形的影响。 2 桥梁自振频率和振型 利用桥梁结构有限元软件 MIDAS/Civil 分别对桥墩施工完毕、箱梁

5、第 20 号节段施工完毕（T 构处于最大悬臂状态）和全桥合拢三个工况下的桥梁结构进行了特征值分析，得到各工况下桥梁结构的自振频率与振型。 3表 1、表 2、表 3 分别为桥墩施工完毕、悬浇 T 构处于最大悬臂状态和全桥合拢时的结构自振频率，给出各工况下桥梁结构前 12 阶模态的自振频率。 表 1 桥墩施工完毕时的自振频率 表 2 施工到最大悬臂时的自振频率 表 3 全桥合拢时的自振频率 由表 1 到表 3 可以看出，随着桥梁施工的逐步进行，结构的自振频率（包含频率和圆频率）逐步减小，而周期增大。 3 风荷载振动分析 大桥位于峡谷出口，风大墩高。该处的风荷载具有阵风的特点，与冲击荷载比较相似。考

6、虑风荷载比较复杂，在满足工程精度的条件下，对风荷载作适当的简化，选择如图 2 所示的三角形荷载模型作为大桥风载模型，并将此风荷载反复作用于桥梁结构上。 图 2 风载时程函数 4图中： FM：动力风荷载时程函数最大值。 t1：动力风荷载从零到达最大值 FM 的时间，取 t1=10s。 t2：动力风荷载回复到零的时间，取 t2=20s。 t3：动力风荷载作用一个周期的时间，取 t3=25s。 按照动力风荷载和公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范规定的静力风荷载 FWh 的作用冲量相等的原则确定 FM 的值： （1） 式中 FWh 为按公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范取得的风荷载静力值。

7、 采用 MIDAS/Civil 建立全桥四种模型：桥墩施工完毕、第六阶段施工完毕（此时逢冬季，桥梁施工停止半年左右时间） 、第 20 阶段施工完毕（最大悬臂）和全桥合拢。其中图 3 为施工到第六个节段时的一个 T构模型。将图 2 所示的风荷载垂直作用在各施工工况模型的桥墩、梁侧面，利用有限元分析得到了风载动力效应对桥梁结构受力、变形的影响。图 3 施工到第 6 个节段时的 T 构模型 桥梁在施工过程中 T 构悬臂段不断延长，迎风面积不断增大，其静力风荷载显然是逐渐增大的。而动力风荷载引起的桥梁结构侧向位移，5如表 4 所示。可以看到，随着 T 构悬臂段的不断延长，桥墩顶部由于风载引起的侧向位移

8、也不断增大；到第 20 节段施工完毕，悬臂段最长，桥墩顶部侧向位移达到最大值 2.39cm,而全桥合拢后，由于全桥共同抵抗风荷载作用，桥墩顶部的侧向位移反而减小为 1.83cm。 另外，由于动力风荷载的冲击造成的的箱梁悬臂端部的侧向位移也是逐渐增大的。 表 4 动力风荷载引起的桥梁最大侧向位移(cm) 动力风载对桥梁结构的应力也有很大的影响，表 5 为风荷载引起的桥梁关键截面的拉应力。可以看到，随着悬臂的不断增长，风荷载引起的拉应力也不断增大，到 T 构悬臂最大时（第 20 节段施工完毕） ，桥墩底部和箱梁根部的拉应力均达到最大值，分别为 3.26MPa 和 0.89MPa。而全桥合拢后，由于

9、动力风荷载引起的桥墩底部和箱梁根部的拉应力反而会减小。 表 5 动力风荷载引起的桥梁关键截面的最大拉应力(MPa) 通过以上分析，可以发现，动力风荷载引起的桥梁结构的最大侧向位移和最大拉应力，在悬臂施工阶段，随着悬臂的伸长而逐渐增大，而全桥合拢后，其相应数值会减小，即桥梁合拢后抵抗风荷载的能力比悬臂最大阶段要强。 6根据以上分析，对风荷载引起的大桥的线形和应力的影响应予以足够重视，为施工和控制提供参考。 4 结论 文章采用有限元分析软件对某大桥分别进行了施工结构分析，分析了结构的特征值和风荷载引起的效应。表明随着结构悬臂施工悬臂段的伸长，由风荷载产生的最大侧向位移和拉应力逐渐增大，当桥梁结构合拢后，由于结构整体性的增强，其位移和应力相反有所减弱。本文分析为特大桥梁施工和控制提供有益参考。 参考文献 JTG D62-2004,公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范 S. 郑凯锋.桥梁结构仿真分析技术研究J.桥梁建设，1998(2)：1015 肖汝诚.桥梁结构分析及程序系统M.北京：人民交通出版社，2002：19