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1、第34卷第2期土 木 工 程 学 报Vol134No122001年4月CHINACIVILENGINEERINGJOURNALApr12001大跨径斜拉桥静风稳定性的参数研究程 进 肖汝诚 项海帆(同济大学)摘 要 随着斜拉桥跨径的不断增大,空气静力失稳现象已引起了人们的广泛重视。本文用作者导出的大跨径斜拉桥非线性静风稳定性的方法,编制了计算软件BNAP。对一座主跨1000m的斜拉桥的静风稳定性进行了参数分析与比较,给出影响大跨径斜拉桥静风稳定性的主要参数。关键词 大跨径斜拉桥 静风稳定 参数研究中图分类号:U448127文献标识码:A文章编号:100
2、0O131X(2001)02O0055O07后,分析了这些参数对斜拉桥静风稳定性产生的影1 引 言响,并指明了影响斜拉桥静风稳定性的主要参数。从1950年建成的第一座现代斜拉桥到目前为止,2 分析方法与程序实现短短的五十年里,跨径从原先的18216m发展到现在的890m,可见斜拉桥的发展是何等的迅速。此外,211 分析方法国内外已在计划建造1100m的斜拉桥。随着斜拉桥跨作用在主梁单位长度的静风荷载可分解为横向风径的不断增大,势必会引发出一些新的问题。风荷载荷载PH、竖向风荷载PV和扭转力矩PM,具体表达作用下大跨径桥梁的静力稳定问题就是其例。所谓空式如
3、下:气静力失稳就是指结构在给定风速作用下,主梁发生12PH=·ρ·Vd·CH(α)·D侧向弯曲和扭转,进而导致风荷载的改变,并反过来2增大结构的扭转,最终导致结构失稳。过去,人们普12(α)·B(1)PV=·ρ·Vd·CV2遍认为大跨径桥梁的颤振临界风速一般都低于静力失122稳的发散风速。但是,1967年日本东京大学Hirai教PM=·ρ·Vd·CM(α)·B2授就在悬索桥的全桥模型风洞试验中观察到了静力扭式中 CH(α)、CV(α)、CM(α)分别表示在有效转发散的现象,同济大学风洞实验室在对汕头海湾二攻角下主梁沿结构坐标轴各方向的阻力、升力、升力桥的风
4、洞试验中,也发现了斜拉桥由静风引起的弯扭矩系数;所谓有效攻角是指静风初始攻角与静风作用[1,2]失稳现象。最近,Boonyapinyo、Miyata、谢旭等学引起的主梁扭转角之和。[1,3]者通过计算也表明了这种现象出现的可能性。按照杆系结构空间稳定理论,问题可归结为求解与动力失稳不同,空气静力失稳发生前无任何预如下形式的非线性方程:兆,突发性强,因而破坏性更大。为了能全面了解和G+W[Ke(u)+Kg(u)]·U=f[PH(α),PV(α),PM(α)]避免该种现象的发生,最简单和有效的方法就是通过(2)选定一些参数,考察这些参数变化对结构静风失稳风式中
5、 Ke和Kg分别为结构的线弹性和几何刚度矩速的影响,从而获得改善大跨径斜拉桥空气静力稳定阵。α为有效攻角;PH,PV,PM分别为体轴下的风性的方法,为今后进行斜拉桥抗静风设计奠定良好基阻力、升力和升力矩;f为静风荷载;上标G和W础。本文首先介绍作者导出的分析大跨径斜拉桥非线分别代表重力和风力性空气静力稳定性的方法和相应的计算程序。然后,从式(2)可知,不仅结构的刚度是结构变形的通过选取不同的桥梁断面、风速的初始攻角等主要参函数,而且右端项所表示的静风荷载也是结构变形的数,考察一座主跨1000m的斜拉桥的静风稳定性。最函数,为了求解该非线性方程,就必须采用迭
6、代法。收稿日期:2000O05O08,收到修改稿日期:2000O08O28而为了跟踪结构变形的全过程,又必须采用增量法,国家自然科学基金资助项目(批准号:59895410)为此,本文采用增量与内外两重迭代相结合的方法。·56·土 木 工 程 学 报2001年[5～8]增量法将风速按一定比例增加。而其中的内层迭代主213 程序可靠性验证要是进行结构的几何非线性计算,而外层迭代则是为BNAP程序能进行结构的线性、几何非线性、材了寻找结构在某一风速下的平衡位置。该方法的具体料非线性、非线性空气静力稳定性分析和斜拉桥成桥实施步骤如下:状态下恒载内力的确定。单元类型
7、包括索单元、杆单(1)假定一初始风速V0;元和梁单元。本文用多个算例来验证程序中所涉及的(2)计算在该风速下结构所受的静风荷载;所有分析类型和所有单元类型,这里给出其中的两个(3)采用NewtonORapson法求解式(2),得到结算例。构位移U;【例1】如图2所示,一悬臂45°弯梁,自由端作(4)从结构位移U中提取单元扭转角(为左右用竖向集中荷载P,将梁分成8等份,每步加载量为两节点扭转位移之和的平均值),重新计算结构的静10。本文解与有关文献解析解的对比如表1所示。风荷载;(5)检查三分力系数的欧几里得范数是否小于允许值;(6)如果小于允许值,则按预定
8、步长增加风速,重复步骤(2)～(5);否则,重复步骤(3)～(5)
