1、某大桥动力特性及颤振稳定性分析摘要：利用软件 MIDAS/civil7.4.0 对某大桥进行了动力特性和颤振稳定性分析。计算结果表明：大桥结构基本周期小于 5 s，属于短周期；结构颤振稳定性能够满足规范要求；为相似结构的计算提供了参考。 关键词：动力特性；颤振稳定性；大桥 Abstract: The dynamic characteristics and flutter stability for a certain major bridge was analysed by means of the MIDAS/civil7.4.0 software.The results indicate
2、that the basic cycle of the bridge structure is less than 5 s, is short-period and the flutter stability of the structure can meet regulatory requirements, also, providing a reference for the calculation of similar structure. Key words: dynamic characteristics; flutter stability; major bridge 中图分类号：
3、V215.3+4 文献标识码：A 文章编码： 1 工程概况 某大桥主桥采用独塔双索面叠合梁斜拉桥，桥跨布置为180+180=360m。为双桥单幅布置，单桥桥面宽度为 25.5m。 图 1 主桥总体布置立面图 上部结构采用钢砼连续叠合梁，其中钢主梁采用箱形断面，梁高为 2.45m，混凝土桥面板厚度为 0.25m；单幅桥面宽 25.5m。主塔采用帆形桥塔，桥面以上塔高约 134m；斜拉索采用扭绞型平行钢丝斜拉索，竖琴形双索面布置，梁上基本索距为 12m，塔上基本索距约 7.7m。 边墩沿横桥向设置两个，采用实体式墩，通过布置一定的造型以增加桥梁的景观性；主塔基础采用 402.5m 钻孔灌注桩，每个
4、边墩均采用81.5m 钻孔灌注桩，分离式承台。 2 计算模型和动力特性分析 2.1 模型建立 采用 MIDAS/civil7.4.0 结构分析程序，建立空间有限元计算模型，如下图所示。计算模型中： （1）忽略了相邻联引桥对主桥动力响应的影响； （2）主梁、主塔和边墩采用梁单元模拟；斜拉索采用桁架单元模拟，并考虑垂度效应和张力对几何刚度的影响； （3）主塔、桥墩与主梁间连接关系的模拟如下表： 表 1 （4）桩基边界条件的处理方法是用承台底六个自由度的弹簧刚度模拟桩土相互作用，这六个弹簧刚度分别是竖向刚度、顺桥向和横桥向的抗推刚度、绕竖轴的抗转动刚度和绕两个水平轴的抗转动刚度，六个刚度的计算采用同
5、济大学的桥梁桩基空间静力分析程序即 BCAD_PILE程序； （5）承台质量作为附加集中质量堆积到相应节点上，以反映其对结构动力特性的影响。 图 2 空间有限元计算模型 2.2 动力特性分析 根据上述建立的空间有限元计算模型，对模型采用分块兰索斯法计算了桥梁结构动力特性，下表列出了模型的部分自振频率和部分振型的主要特征，下图给出了模型的部分振型图。 对于斜拉桥动力分析，最重要的三个振型，即：主梁反对称漂浮振型，主梁一阶对称竖向弯曲振型，和主梁一阶对称扭转为主振型。本模型中这三个振型分别出现在第 1 阶、第 4 阶和第 21 阶。 表 2 图 3 第一阶振型图 图 4 第四阶振型图 图 5 第二
6、十一阶振型图 3 颤振稳定性分析 （1）设计风速确定 根据公路桥涵设计通用规范 （JTG D602004）中附表 A 的规定，桥址处的平坦空旷地面离地面高度10m 处，平均时距 t10min、重现期 T100 年的风速期望值为=33.9m/s。根据拟建桥址处开阔水面的地表状况，由公路桥梁抗风设计规范 （JTG/T D60-012004）第 3.2.2 条，可认为桥址处属于 A 类地表粗糙度类别，地表粗糙度指数可取为=0.12。 （2）构件设计基准风速确定 按照公路桥梁抗风设计规范的相关规定，采用以下指数式推算桥梁构件的设计基准风速： 其中， 桥梁构件的基准高度，对于主梁取主跨桥面距地面或水面的
7、平均高度。 按上式计算的构件的设计基准风速对应于桥梁的成桥阶段，而施工阶段的设计基准风速，可以在考虑桥梁的施工周期和不同的风速重现期的基础上进行折减。 公路桥梁抗风设计规范中规定，施工阶段的设计基准风速可按下式选取 式中， 施工阶段的设计基准风速 风速重现期系数，其选取应该根据桥梁的重要性和桥址处的台风发生频度来确定。一般可采用 20 年重现期。 按照以上公式可计算出该结合梁斜拉桥方案主梁桥面在成桥阶段和施工阶段的设计基准风速分别为： 成桥阶段：41.1m/s 施工阶段：36.2m/s （3）颤振检验风速计算 根据公路桥梁抗风设计规范的规定，主梁颤振检验风速按下式计算： 其中，考虑风速的脉动影
8、响及水平相关性的无量纲修正系数。 按照以上公式可计算出该结合梁斜拉桥方案主梁桥面在成桥阶段的颤振检验风速见下表： 表 3 （4）颤振稳定性指数 公路桥梁抗风设计规范中规定，利用下式计算桥梁的颤振稳定性指数。 式中，为扭转基频，B 为桥梁全宽。 该结合梁斜拉桥方案在成桥阶段的值如下表： 表 4 公路桥梁抗风设计规范6.3 条中规定，当2.5 时，可按规范第6.3.4 条规定计算桥梁的颤振临界风速。而当 2.54 时，宜通过节段模型风洞试验进行检验。 从上表可见，本桥各阶段均小于 2.5，故颤振临界风速可暂按公路桥梁抗风设计规范第 6.3.4 条公式进行取值。 （5）颤振临界风速计算 根据公路桥梁
9、抗风设计规范第 6.3.4 条规定，桥梁断面的颤振临界风速可按下式计算： 其中， 为断面形状系数 为攻角效应系数 为平板颤振临界风速 桥梁质量与空气的密度比 = m/(b2) 桥梁断面的惯性半径比 桥梁的半宽 B 桥梁的全宽 m、分别为桥梁单位长度的质量和质量惯矩 构件扭转基频 根据有限元动力特性分析结果所得的桥梁方案的结构参数，按照上式可以计算得到颤振临界风速。该结合梁斜拉桥方案成桥阶段的主要结构参数及颤振临界风速列于下表。 表 5 4 结论 （1）该桥为双桥单幅布置，基本周期为 3.616 s，小于 5 s，属于短周期。第 1 阶振型为纵飘，符合半漂浮体系斜拉桥的特征，这对减小桥梁结构的地震反应是有利的，但将产生较大的结构位移。 （2）根据公路桥梁抗风设计规范第 6.3.4 条计算的主梁在成桥阶段的颤振临界风速大于桥 址处的颤振检验风速，结构的颤振稳定性满足规范要求。 （3）可对相似结构的动力特性和颤振稳定性分析提供参考。
