西部山區(qū)風(fēng)特性參數(shù)及大跨度鋼桁拱橋抖振響應(yīng)研究.pdf

1、鋼桁架拱橋具有結(jié)構(gòu)輕巧、受力合理、便于節(jié)段拼裝和施工快捷等優(yōu)勢(shì)，在我國(guó)西部溝壑縱橫的山區(qū)橋梁建設(shè)中獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。由于跨越峽谷的需要，拱橋的跨度一般超過(guò)300m?？缍鹊奶嵘龑?dǎo)致拱橋整體剛度的下降、阻尼比的減小，使得結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的敏感性增加，風(fēng)致振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的影響變得重要，尤其對(duì)于剛度較弱的懸臂施工階段。而現(xiàn)行《公路橋梁抗風(fēng)規(guī)范》條文中對(duì)于山區(qū)橋梁抗風(fēng)問(wèn)題未給出相關(guān)的細(xì)則，不便于山區(qū)橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)。論文以位于西部山區(qū)的大寧河

2、特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，開(kāi)展了橋位風(fēng)觀測(cè)，分析了橋址區(qū)域風(fēng)場(chǎng)分布的規(guī)律。利用現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)獲得的風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)，參考規(guī)范中的建議風(fēng)譜，擬合了符合橋位區(qū)風(fēng)場(chǎng)特性的風(fēng)譜參數(shù)。利用橋位區(qū)風(fēng)場(chǎng)的風(fēng)譜，開(kāi)展了大跨度桁架拱橋成橋狀態(tài)、合龍施工態(tài)和最大懸臂施工態(tài)結(jié)構(gòu)的抖振響應(yīng)，并與規(guī)范中建議風(fēng)譜的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析，以檢驗(yàn)現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于山區(qū)橋梁抗風(fēng)計(jì)算的指導(dǎo)程度。本文的工作主要有以下幾個(gè)方面：
　　1）利用C＃程序開(kāi)發(fā)語(yǔ)言，采用WPF（Windows Pr

3、esentation Foundation）框架開(kāi)發(fā)了風(fēng)特性觀測(cè)和分析處理軟件。程序具有數(shù)據(jù)文件分割處理的功能，能夠快速準(zhǔn)確地對(duì)風(fēng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析，輸出風(fēng)場(chǎng)特性參數(shù)，可為橋址處海量的風(fēng)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)的處理工作提供便利的分析工具。
　　2）通過(guò)對(duì)風(fēng)特性數(shù)據(jù)的分析得到了大寧河峽谷區(qū)橋位處風(fēng)場(chǎng)的分布規(guī)律。橋址處平均風(fēng)速沿高度的變化規(guī)律不符合規(guī)范給出的指數(shù)分布或?qū)?shù)分布。對(duì)于西部山區(qū)的這類(lèi)山地地貌來(lái)說(shuō)，風(fēng)的脈動(dòng)成分比較大，離拱腳10m高度

4、測(cè)得的水平向湍流強(qiáng)度超過(guò)了40％，離拱腳90m高度所測(cè)得的也可達(dá)20%，遠(yuǎn)大于規(guī)范中D類(lèi)地表粗糙度下的參考值。此結(jié)論表明西部山區(qū)的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)需要考慮大紊流度影響。
　　3）采用數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法對(duì)大橋橋址處的實(shí)測(cè)風(fēng)速譜進(jìn)行擬合，得到水平脈動(dòng)風(fēng)速譜和垂直脈動(dòng)風(fēng)速譜表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)該橋橋址處實(shí)測(cè)脈動(dòng)風(fēng)速譜與我國(guó)橋梁抗風(fēng)規(guī)范中建議使用的脈動(dòng)風(fēng)速譜存在差異，其低頻段的能量小于規(guī)范風(fēng)譜的值。該現(xiàn)象將直接影響低頻段模態(tài)對(duì)抖振共振響應(yīng)的貢獻(xiàn)。
　

5、　4）利用ANSYS有限元分析軟件，建立了大寧河特大橋成橋態(tài)、合龍態(tài)和懸臂施工態(tài)三類(lèi)空間有限元模型，獲得了結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。分別利用實(shí)測(cè)擬合風(fēng)譜和規(guī)范建議風(fēng)譜，開(kāi)展了三種狀態(tài)下結(jié)構(gòu)的抖振響應(yīng)分析。
　　5）抖振響應(yīng)結(jié)果表明，該橋成橋狀態(tài)的側(cè)向位移較大，豎向和扭轉(zhuǎn)向抖振位移響應(yīng)較小，且跨中位移顯著大于兩側(cè)位移。成橋態(tài)和合龍態(tài)的抖振響應(yīng)主要受到對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)模態(tài)共同作用，而最大懸臂施工態(tài)基本只受到對(duì)稱(chēng)模態(tài)影響，其抖振響應(yīng)幅值顯著大于另外兩個(gè)

6、狀態(tài)，且其扭轉(zhuǎn)抖振受到的是對(duì)稱(chēng)扭轉(zhuǎn)模態(tài)影響，而非附帶扭轉(zhuǎn)形態(tài)的橫向彎曲模態(tài)影響。
　　6）三種狀態(tài)結(jié)構(gòu)的抖振計(jì)算結(jié)果表明，規(guī)范建議風(fēng)譜的計(jì)算值要顯著大于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)擬合風(fēng)譜的計(jì)算值，且在剛度相對(duì)較弱的橫向差異較大。通過(guò)對(duì)比抖振響應(yīng)譜可以進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，兩類(lèi)風(fēng)譜對(duì)于結(jié)構(gòu)背景響應(yīng)的貢獻(xiàn)是相當(dāng)?shù)模诠舱衲B(tài)的階次和分布上也是一致的；不同的是規(guī)范風(fēng)譜所引起的共振響應(yīng)更大，尤其對(duì)于低頻段模態(tài)。計(jì)算結(jié)果也表明，現(xiàn)行規(guī)范關(guān)于抖振計(jì)算的條文可以指導(dǎo)山區(qū)大