赣州大桥结构抗风性能数值模拟研究
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摘 要：以赣州大桥为工程背景，进行了桥位处风参数分析、结构动力特性分析、主梁静气动力参数数值模拟研究、塔桥静气动力参数、主梁气弹参数数值模拟研究以及各类风载分析计算。通过分析，验证了赣州大桥的抗风性能满足设计要求。
关键词：悬索桥；结构动力；抗风性能；模拟研究
中图分类号：U442.5 文献标志码：B
0 引 言
赣州大桥位于江西省赣州市，是主跨408 m的悬索桥，加劲梁为宽32 m的扁平钢箱梁，桥塔造型采用巴洛克风格，如图1～3所示。由于桥塔断面外形复杂，其断面的气动力系数取值缺少相应的规定，并且该桥处于风多发地区，因此，该桥的抗风计算是关键。同时，悬索桥结构又是一种对风非常敏感的结构，为保证该设计方案在成桥状态下的抗风安全，并确保抗风设计风荷载选取的科学性与合理性，对主桥结构抗风性能进行数值模拟研究具有非常重要的工程价值。
本文结合桥梁设计的需要，进行了赣州大桥抗风性能数值模拟研究，具体内容如下：桥位处风参数分析、结构动力特性分析、主梁静气动力参数数值模拟研究、桥塔静气动力参数、主梁气弹参数数值模拟研究、多模态耦合三维颤振分析、主梁涡激共振风速和振幅分析、非线性静风稳定性分析及风荷载分析计算[13]。
1 桥位处平均风速统计分析
1.1 基本风速
3.2 主梁断面气动导数数值模拟
通过数值风洞技术，大涡模拟方法模拟气流的瞬态流动，从而获得不同风速下主梁断面以不同固定频率作强迫振动的流场变化及断面所受风荷载（阻力、升力、扭矩）的变化时程曲线，并利用最小二乘法识别不同折减风速下对应的气动导数。通过数值模拟可以得到成桥状态-3°、0°、+3°的颤振导数以及颤振导数与折减风速曲线[5]。
3.3 主梁涡激共振风速和振幅分析
把主桥结构简化为单自由度的弹簧振动系统（图5），选取一阶竖弯基频分析竖向振动，选取一阶扭转基频分析扭转振动；利用数值模拟获得的气动力系数时程曲线（图6），直接作用于该弹性结构，可获得不同风速下的结构响应，从而可近似评估该桥的风振响应，通过风振响应结果判断该桥是否会发生较大的涡激振动现象。
4 桥塔区三维流场及风荷载参数模拟
赣州桥桥塔为三维复杂空间结构，可判定各桥塔及横梁之间存在强烈的气流会相互干扰，流场将变得非常复杂，因此试图通过规范或经验来确定桥塔各部分的风荷载参数变得不可能。因此，利用数值风洞技术，通过建立三维的桥塔几何模型、网格划分及流场求解，从而获得不同风向下的流场，才能精确获得桥塔各部位的风荷载参数。
5 风荷载分析、风载响应计算
桥梁上、下部结构构件的设计验算均应考虑风荷载的作用。作用在桥梁上的设计风荷载由设计基准风速下的等效静阵风荷载和结构惯性动力风荷载叠加而成。等效静阵风荷载定义为等效阵风风速算出的风荷载[6]。它是在10 min内的平均风速的基础上乘以一个等效阵风系数GV得到，其中包括了平均风荷载和脉动风中的背景响应。GV计算中应考虑风的空间相关性、不同地表粗糙度以及不同桥梁基准高度的影响。
6 非线性静风稳定性数值分析
静风稳定性分析的成熟方法是增量与内外两重迭代相结合的方法。增量法将风速按一定比例增加，每级风速下的内层迭代主要是进行结构的几何非线性和材料非线性计算，外层迭代主要是寻找结构在该级风速下的平衡位置。为了减少外层迭代的次数，引入低松弛因子，用于修正下次迭代时的扭转角增量。
非线性包括几何、材料及静风非线性3种。对于静风稳定性分析而言，关注的是几何大位移和静风荷载相互作用下的稳定性问题，需要捕捉的是由静风稳定姿态到发生失稳的起始条件，即静风失稳临界风速。静风失稳刚刚发生时，结构仍处于弹性范围内，因此，不必考虑材料非线性。
7 结 语
利用数值模拟方法进行赣州大桥抗风性能研究，极大地缩短了研究周期。通过分析，赣州大桥的抗风性能可以满足施工和使用的要求。采用数值模拟的方法节省了抗风物理试验经费开支，该研究成果推广应用前景广阔，将其应用于缆索承重桥梁的抗风研究中必将产生更大的社会经济效益。
参考文献：
[1] 许福友，陈艾荣，黄才良，等.大跨桥梁风洞试验模型模态耦合分析[J].中国公路学报，2009，22（3）：5863.
[2] 庞加斌，宋锦忠，林志兴.四渡河峡谷大桥桥位风的湍流特性实测分析[J].中国公路学报，2010，23（3）：4247.
[3] JTG D60—2004.公路桥涵通用设计规范[S].
[4] JTG/T D6001—2004.公路桥梁抗风设计规范[S].
[5] 马光彬. 赣江公路大桥结构抗风性能数值模拟研究报告[R]. 赣州：赣州市赣康高速有限责任公司，2009.
[6] 张 玥，胡兆同，刘健新.西部山区斜拉桥风特性观测及数值仿真[J].长安大学学报：自然科学版，2011，30（5）：4449.