转体施工大悬臂T构的抗风性能研究*

张谢东　黄伟文

(武汉理工大学交通学院　武汉　430063)

转体施工大悬臂T构的抗风性能研究*

张谢东黄伟文

(武汉理工大学交通学院武汉430063)

摘要：采用平转施工的T形刚构桥梁在转体之前，拆除施工支架，处于大悬臂状态，结构刚度较小，在风的作用下稳定性较差.结合内蒙古集宁市的京包铁路分离式立交桥，桥址处多阵风且风速较大，分析该转体施工T形刚构桥梁的抗风性能，通过对该桥进行了抖振时域分析，得到其位移时程结果.大悬臂T构的结构横向刚度最小，位移最大.结果表明结构在风荷载的作用下较安全，但风荷载的作用不可忽略.

关键词：转体施工；大悬臂；抖振时域分析

张谢东(1964- )：男，博士，教授，博士生导师，主要研究领域为道路与桥梁工程

0引言

京包铁路分离式立交桥是京新高速集宁至呼和浩特段的一座重要大桥，它在内蒙古集宁市十八台乡上跨京包铁路，为尽量减少施工对京包铁路运营的影响，而采用转体施工工艺.桥址处常年多强阵风，因此风对结构的作用在设计中值得关注.

该桥主墩为群桩基础，采用钻孔施工，承台采用机械开挖浇筑，主墩为现浇实心墩，主梁上部结构为2×75 m单T形变截面连续箱梁，铁路两旁搭架现浇，浇筑完后转体合龙.

1大悬臂T构的动力特性分析

利用ANSYS建立T构转体桥的有限元模型，采用beam188梁单元建模.beam188单元能够较好的模拟变截面箱梁，用户可利用其自定义截面功能先行定义箱梁截面，并进行映射网格划分，以保证单元两端截面的拓扑结构相同[1-2].

为方便有限元计算，本文中截面模型的网格划分全部采用二维四边形网格.上述京包铁路分离式立交桥的转体施工大悬臂T形刚构有限元模型见图1.

图1　T形刚构桥有限元模型

研究转体施工T形刚构桥的动力特性对其抗风分析具有重大意义.研究转体施工T形刚构桥的动力特性主要就是研究T构的自振频率、阻尼与振型，分析振型特点.模态分析是近代发展起来的一种研究结构动力特性的方法，在工程领域具有一定的实用性.其实质就是特征值和特征向量的求解问题，比如，本文的T构，其特征值就是该T构的一些基本振型对应的频率，这些频率下易引起T构的共振，应该避开，而频率的大小可以反映出T构的整体刚度.本文采用ANSYS模态分析中的subspace模块对该大悬臂T构进行了模态分析，提取出大悬臂T构的前10阶振型，其自振频率及振型特点见表1.

表1　T形刚构梁段大悬臂状态动力特性

2大悬臂T构抖振时域分析

风荷载必须先转换为气动力的时域表达形式，方能利用一般的有限元方法做有限元时程分析.按照常规做法，风荷载被分成3部分加载到桥梁结构上计算，它们分别是静力风荷载、脉动风引起的抖振力,以及流固耦合引起的自激力.

2.1静风力

桥梁设计的基本风速可通过文献[3]根据地区查得，这个风速是指桥梁距离下方的地面或水面10 m的地方，能够发生的百年一遇的10 min平均风速的最大值.其他高度的风速可由基本风速通过以下公式换算得出.

(1)

式中：Ud为所求高度处的基准风速；U10为基本风速，即10 m高度处的基准风速；z为桥梁主梁距离地面或水面高度；α为地面粗糙度系数，根据地形查表可得.

从气象部门统计的风速资料查出，本文研究的京包铁路分离式立交桥桥址处的基本风速为27.4 m/s，桥址的地貌类别属于II类，此处的α取值0.16，由式(1)计算可以得出本桥的设计基准风速为30.66 m/s.

作用在桥墩上的风荷载按照地面以上墩高0.65倍高度处的风速计算，本文按照0.65倍墩高处风速结果为28.62 m/s[4-5].

主梁在横向风荷载作用下的单位长度静风力为

(2)

式中：FH为主梁单位长度静风力；ρ为空气密度，1.225 kg/m3；H为主梁截面高度；CH为主梁断面的阻力系数.

桥墩上的风荷载大小计算公式为：

(3)

式中：AN为桥墩迎风面的面积大小.

2.2自激力

抖振力是由脉动风引起的，按照通常的做法，按照Scanlan的准定常气动力理论，作用在主梁单位展长的抖振力时域表达式为

(4)

(5)

(6)

2.3自激力

气动自激力表达式

(7)

将作用在单元的自激力等效变换到单元两端节点上，节点的集中力可表示为

(8)

(9)

式中：L为单元长度.

将式(8),(9)用矩阵来表述，则可写为

(10)

(11)

经过一系列的变化，桥梁结构自激力可通过结构位移、气动刚度矩阵、气动阻尼矩阵来表述，而刚度矩阵、阻尼矩阵仅由三分力系数控制，这样便可以方便地在有限元计算中实现.

以上都是关于气动自激力的理论公式的探讨，得出自激力的描述方法，接着要在有限元软件(此处使用ANSYS)中实现加载自激力.这里可以使用ANSYS中的自定义的Matrix27单元，在主梁节单元点的位置，加入两个Matrix27单元，输入单元的气动刚度矩阵以及阻尼矩阵，这样计算的结果就是考虑了主梁结构自激力的.这种考虑自激力的方法简便实用，而且也有学者实践应用验证[8-12].

根据表1，分析比较各阶自振频率以及振型，发现第三阶以后的自振频率明显要比之前大的多，可见前三阶的振型对桥梁的动力特性起着主导作用.观察前三阶振型，主要是产生横桥向转动位移和竖桥向转动的位移及竖向弯矩，说明该T构梁段横向、竖向抗推刚度较小，易摆动产生位移.

根据上述方法，得到时域化的抖振力，保存为Table格式的TXT文件，利用*TREAD命令导入到ANSYS中，在ANSYS有限元模型中加载抖振力和自激力做抖振时程计算.计算完成后，在时程后处理中查看结果，时程-位移及时程-转角响应见图2.

图2　T构大悬臂状态悬臂端时程曲线

从图2可以得出，该桥最大悬臂状态下风荷载抖振作用产生的沿横桥向最大位移为2.087 41 cm，竖向最大位移为1.030 51 cm，悬臂端最大转角为0.020 517 5 rad.

3结束语

本文以京包铁路分离式立交桥为工程实例，对转体施工的大悬臂T构进行了动力特性分析，得出其振型和自振频率，其前三阶振型占主导地位，从振型结果看出大悬臂状态下结构横向刚度较小，最容易发生失稳破坏.后文在此基础上进行抖振时域分析，将气动力分解为静风力、抖振力和自激力进行加载，运用有限元软件进行运算，根据时程后处理的结果，结构在风荷载的作用下是较为安全的，但是风荷载的作用依然不可忽略，在桥梁设计中应当加以考虑.

参 考 文 献

[1]翟鹏程.转体梁施工中的不平衡问题及风致振动研究[D].北京：北京交通大学，2008.

[2]陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社，2005.

[3]中华人民共和国交通部.JTG/T D60-01-2004公路桥梁抗风设计规范[S].北京：人民交通出版社，2004.

[4]项海帆.公路桥梁抗风设计指南[M].北京：人民交通出版社，1996.

[5]黄海元.连续刚构桥抗风分析与研究[D].西安：长安大学，2011.

[6]付彦峰.高墩大跨曲线连续刚构桥最大悬臂施工阶段抖振响应分析[D].天津：天津大学，2007.

[7]黄海彬.高墩大跨连续刚构桥极限承载能力及抗风性能研究[D].长沙：中南大学，2011.

[8]SCANLAN R H,GADE R H.Motion of suspended bridge spans under gusty wind[J].J of Struc DIV ST9,1997(10)：155-159.

[9]THEODORSEN T.General theory of aerodynamic instability and the mechanism of flutter[R]. NACA Report No.496,Langley,Va.1995:244-251.

[10]DAVENPORT A G.Buffeting of a suspension bridge by storm winds[J].Struct.Div.,ASCE,1992，88(3)：233-268.

[11]曾宪武，韩大建.大跨桥梁风致抖振时域分析及在ANSYS中的实现[J].桥梁建设，2004(1):9-12.

[12]曹映泓，项海帆，周颖.大跨度桥梁非线性颤振和抖振时程分析[J].广东公路交通，2000(1):38-42.

中图法分类号：U44

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.003

收稿日期：2014-11-19

Study on Wind-resistance Behavior of Rotation
Contructed Large Cantilever T Structure

ZHANG Xiedong HUANG Weiwen

(Schooloftransportation,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430063,China)

Abstract：Before the T-shaped rigid frame bridge swivel, we need to remove the construction falsework. Then the bridge is in a large cantilever state, with small stiffness. It has poor stability under the action of wind. This paper analyzed the wind resistance performance of the T-shaped rigid frame bridge combine with the Beijing-Baotou railway separate package overpass in Jining, Inner Mongolia. Considering the bridge site in a place with big wind velocity, this paper has great practical significance and theoretical value. By conduct the time domain buffeting analysis of the bridge, the paper got the time history displacement response result. The large cantilever T structure has smaller lateral stiffness and larger displacement. The results show that the structure is secure under wind load effect. However, the role of wind load can not be ignored.

Key words：rotation construction; large cantilever; time domain buffeting analysis

*内蒙古自治区交通科技项目资助(批准号：NJ-2012-18)