主跨530m斜拉桥主梁气动选型分析

2019-07-19姚建锋

四川建筑 2019年3期

邓斌，徐茂，姚建锋

(苏交科集团股份有限公司, 江苏南京 210017)

大跨度斜拉桥结构轻柔，频率低，其抗风问题成为了影响桥梁设计的一个关键因素。桥梁的风致振动主要有颤振、驰振、抖振、涡振和静风失稳，其中，涡振和抖振则是限幅振动，而颤振、驰振、静风失稳是发散性的，对结构是毁灭性的破坏，在抗风设计中必须避免。桥梁主梁抗风性能的研究一般通过风洞试验或数值模拟，其中数值模拟的方法经济、便于操作且计算精度满足要求而受到广大学者的青睐。因此，在桥梁结构的初级设计阶段，针对桥梁主梁的抗风性能进行方案比选也就十分必要。

与流线型断面不同，Π型主梁具有自重轻、受力性能好等特点。但其具有敞开的钝体外形，较流线型断面有更复杂的绕流特性，目前许多学者针对Π型主梁的气动性能进行过专门的研究。卢桂臣[1]通过数值模拟的方法对西堠门大桥主梁进行了气动选型和气动控制措施的研究。董锐[2]针对三种不同的Π型叠合主梁的涡振和颤振性能进行了研究。李永乐[3-5]采用数值模拟和风洞试验相结合的方式分析了流线型钢箱梁、分离式双箱梁、分离式三箱梁的静风稳定性和颤振稳定性。

本文以在建的主跨为530m大跨度斜拉桥——银洲湖特大桥为工程背景，针对初级设计阶段提出的三种不同的Π型主梁断面，采用数值模拟的计算方法，对桥梁的主梁的静动力性能进行了对比研究，为同类桥梁主梁的设计提供了一定的指导。

1 工程概况

在建的银洲湖特大桥为主跨530m的大跨度斜拉桥，该桥的三种设计方案分别为：方案一(混合式pk箱组合梁斜拉桥)、方案二(混合梁斜拉桥)和方案三(组合梁斜拉桥)。

方案一中桥梁的孔径布置为(56.8+64.8+66.4+530+66.4+64.8+56.8)m的斜拉桥，空间双索面，半漂浮体系；主跨主梁采用叠合梁(图1(a))，两边跨采用混凝土主梁。方案二中桥梁的孔径布置为(54.0+60.0+64.0+530.0+64.0+60.0+54.0)m的斜拉桥，空间双索面，半漂浮体系；主跨主梁采用钢箱梁(图1(b))，两边跨采用混凝土主梁。方案三中桥梁孔径布置为(76.0+182.0+530.0+182.0+76.0)m的斜拉桥，半漂浮体系，主梁为叠合梁(如图1(c))。

2 设计风参数

该桥位于江门市新会区附近，该地区是我国风速较高的地区。在参考我国JTG/TD60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》和该桥附近的大桥风速资料的基础上，为本桥的抗风设计选择了合理的风参数，其中表1给出了桥位附近几座大桥的设计风参数。

表1 附近桥梁的设计基本风速 m/s

(a)方案一桥梁结构布置及主跨pk箱叠合梁

(b)方案二桥梁结构布置及主跨钢箱梁

(c)方案三桥梁结构布置及主跨叠合梁图1 主梁断面(单位：m)

该桥和港珠澳大桥、虎门二桥和珠江黄埔大桥处于同一个大区域，对该桥的设计基本风速的选取有一定的参考价值。江顺大桥和崖门大桥距离该桥很近，这两座桥的设计风参数对于银洲湖特大桥的风参数选取具有更高的参考价值。由于江顺大桥更靠内陆，崖门大桥更靠近海岸线，而本桥位于江顺大桥和崖门大桥之间，因此，如果选取江顺大桥的设计基本风速做为本桥的设计基本风速偏于不安全，而选取崖门大桥处的设计基本风速即新会区百年一遇的基本风速作为本桥的设计基本风速又会偏于保守，故取两者的平均值，即34.5m/s，也与虎门二桥、珠江黄埔大桥和港珠澳大桥的设计基本风速保持较高的一致性，即：该大桥桥位处10m高度的设计基本风速为34.5m/s。

主梁设计基准风速为42.3m/s，主梁成桥状态颤振检验风速为65.0m/s，主梁成桥状态静风检验风速84.6m/s。

3 结构动力特性

该桥的结构动力特性计算分析采用离散结构的有限元方法，通过大型有限元软件ANSYS建立了大桥的空间有限元模型进行计算分析。主梁采用鱼骨梁式力学模型，通过三维的梁单元，根据斜拉索的间距进行离散。主梁的轴线通过断面的扭转中心，整个主梁刚度以及分布质量和转动惯量都集中于轴线上，并通过伸出的刚臂与斜拉索相连。桥塔、边墩和辅助墩采用空间梁单元进行模拟，对于变截面的部分应加密单元划分；斜拉索则采用三维杆单元模拟，对该桥须考虑初始应力的影响。

表2给出了三个方案的桥梁结构的基频。由结果可知，方案一和方案三桥梁的基频较为接近，方案二桥梁的频率相对较高，但三种方案桥梁结构的动力特性基本一致，相差较小。

表2 大桥成桥状态动力特性统计结果

4 气动参数的数值模拟

针对不同方案的主梁，通过CFD数值仿真软件FLUENT计算得到静力三分力系数。采用长方形计算区域，迎风侧边界采用速度入口，背风侧边界采用压力出口，入口风速无竖向流动时上、下边界均采用压力出口。为兼顾计算精度和计算效率，根据主梁的绕流特点，在主梁断面周围及较近区域的网格进行加密，计算域的周边采用疏网格，中间区域进行合理过渡。图2给出了主梁周围的网格划分细节图。

图2 主梁周围网格划分

作为例子，表3给出了三个不同方案主梁在0°攻角时的静力三分力系数结果。表中CH、CV、CM表示体轴坐标系中主梁断面的阻力、升力和力矩系数。由结果可知，方案一主梁阻力系数相对最小；方案三主梁阻力系数相对最大，不同方案主梁的升力和力矩系数相差不大。

表3 成桥状态主梁梁静力三分力系数(0°攻角)

图3给出了主梁在0 °攻角时通过数值模拟方法得到的颤振导数(±3 °攻角结果暂未列出)，由结果可知，三方案主梁的颤振导数随折减风速的变化规律基本一致，但存在一定的差距。

图4给出了主梁周围的风速矢量图，由结果可知，三种主梁断面周围流场分布存在较大的差异，主要是位于分离式主梁桥面板下侧和迎风侧风嘴处，pk箱叠合梁桥面板下侧有一个较大的漩涡和一个较小的漩涡，钢箱梁桥面板下侧存在两个较大的漩涡，叠合梁桥面板下侧存在一个较大的漩涡。叠合梁迎风侧相对较钝，其他两个主梁风嘴相对流线型，气流分离相对较小。

(a)方案一主梁

(b) 方案二主梁

(c)方案三主梁图3 主梁颤振导数(0°攻角)

5 线性静风稳定性分析

根据JTG/TD60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》[6]，基于线性方法计算斜拉桥的静力扭转静风失稳风速，具体如表4所示。由结果可知，三方案主梁的静力静风失稳临界风速均远大于静力失稳检验风速，其静风稳定性均满足要求。但是，方案一和方案二的静风失稳风速较接近，方案三的静风失稳风速相对最大。

表4 大桥成桥状态静力稳定性验算(0°攻角) m/s

(a)方案一

(b) 方案二

(c)方案三图4 0°攻角时主梁主梁周围风速矢量

6 三维颤振稳定性分析

传统的二维颤振分析方法是提取桥梁结构的对称或反对称弯扭基频进行分析，其依据是扭转基频与竖弯基频是参与颤振的基本振型，而其它振型对最终的颤振形态影响较小。现在人们逐渐认识到颤振发生形态并不是单纯的竖弯基频和扭转基频相互耦合的形态，它往往是多个振型共同参与的结果，这时发展三维多模态耦合颤振分析理论就显得十分必要[7]。

基本假定：

(1)片条假定：假定桥梁加劲梁断面是平直等截面梁，因此，每一个加劲梁断面都具有相同的气动性能，即全桥加劲梁断面采用相同的颤振导数；

(2)二维流场假定：假定流场特性沿桥长方向不变；

(3)正交风向假定：假定来流风的方向总是与桥轴线垂直，因为这在一般情况下是最不利状态；

(4)在建立桥梁主结构体系风致振动简化模型时，忽略桥塔、主缆和吊索的气动自激力，只计入加劲梁产生的气动自激力。

根据Scanlan提出的气动自激力模型，作用在加劲梁单位长度上的气动自激力可以用颤振导数来表示(自激力表达式略)，对于非流线形桥梁断面，颤振导数通过数值模拟计算分析的结果。

根据前述三维颤振分析理论，编制三维颤振数值计算程序进行颤振分析。本程序在搜索前仅要求人为指定参与模态、无量纲风速搜索范围和步长。以后全过程自动分析，无需人工干预，同时搜索过程中采用二分法加速收敛速度，计算过程迅速、高效。图5及表5给出了不同攻角时，三种方案的颤振临界风速，三种方案的颤振临界风速均大于颤振检验风速，其颤振稳定性满足要求，其中，方案二桥梁的颤振临界风速相对最大，方案三桥梁的颤振临界风速相对最小。