几何非线性因素对桥梁结构风致抖振响应的影响分析.pdf

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1、北方交通2014年第6期文章编号：1673—6052(2014)06—0010—04中图分类号：U442．59文献标识码：A几何非线性因素对桥梁结构风致抖振响应的影响分析宋国鹏(辽宁省交通工程质量与安全监督局沈阳市110005)摘要：以某特大悬索桥为例，通过建立有限元模型进行数值计算，定性地分析了几何非线性因素对桥梁结构风致抖振响应的影响。关键词：桥梁；抖振；几何非线性随着我国交通事业发展以及设计、施工水平的力作用点与桥梁断面的形心不一致，还会对形心产提高，大跨径桥梁不断涌现。桥梁结构在向跨度大、生一定的扭矩。所以桥梁断面单位长度上静风荷载质量轻、柔性大、阻尼小

2、方向发展的同时引发了一系包括三方面内容，升力F阻力F和扭矩M，分别列新的问题，比如桥梁在风荷载作用下的结构响应，由三分力系数中的Cv、C和c进行描述并如图1在施工阶段会威胁到作业人员及设备的安全，在运所示。营阶段可能会影响行车舒适度或导致桥梁构件疲劳Fv=-~-pUCvB(1)破坏，已成为影响结构稳定及运营安全的重要因素之一。Fl{=÷pUCD(2)当随机变化的自然风流经桥梁结构时，使得围绕桥梁表面的流场形成一种不断变化的压力分布状MT=÷pCMB(3)态，从而形成了复杂的空气动力作用。通常将结构式中，u为上游足够远处来流的平均风速，D、B的振动响应人为划分为四

3、种，即颤振、抖振、驰振和分别是桥梁横断面的高和宽。涡激共振。本文所研究抖振，是一种气动力受结构振动反馈作用的影响较弱，气动力致使桥梁结构发生强迫振动的现象。1抖振分析力学模型本文的目的在于定性地研究几何非线性因素对图1风荷载在体轴坐标系下的三分力大跨度桥梁抖振响应的影响，而非针对某大桥进行定量的计算，所以在计算中只考虑主梁上的静风力、三分力除了可以按照体轴坐标来定义外，还可抖振力荷载以及结构自重。以按照风轴坐标来定义。相应的三分力依次记为升1．1静风荷载力F阻力F。和扭矩M，如图2所示。显然扭矩由平均风引起的静荷载称为静风荷载，由无量M在两种坐标系下都相同，(F

4、，F。)与(F，F)存纲参数一三分力系数来描述。风荷载作用下，桥梁在式(4)的转换关系。断面上下表面压强差的面积分，就是桥梁所受的升力荷载。同理，结构断面前后表面的压强差的面积㈡Ev／=COSOL㈥EL㈩分就是断面受到的阻力荷载。如果升力和阻力的合1．2Davenport准定常抖振力模型2014年第6期宋国鹏：几何非线性因素对桥梁结构风致抖振响应的影响分析一1l一向抗弯刚度、抗扭刚度、质量分布以及质量惯矩分布与实桥等效原则，采用鱼骨式模型进行建模。主桁及桥面横断面布置如图4所示。图2风荷载在风轴坐标系下的三分力在准定常假设下，参照图3，瞬时风轴坐标下桥梁断面单位

5、长度所受到的三分力可表示为：㈩≥绅—一⋯图3来流攻角不惫圈图4大桥横断面示意图在该大桥有限元分析中，主桁结构采用空间梁D(t)=÷pu(t)CD(仅0+As)·B(5)单元BEAM188进行离散，吊杆与主缆使用空间杆L(t)=1pU(t)CL(o+As)·B(6)单元LINK10进行离散，桥面系采用MASS21单元模拟其平动质量与扭转质量，主梁等间距布设有68个M(t)=+pU2(t)cM(o【0+△仅)·B(7)加载节点。大桥有限元模型如图5所示。假设桥梁断面在其平衡位置附近做小幅微振动，那么将各三分力系数按照泰勒公式进行展开，并取一次项。假设某一时刻的平均风

6、攻角为d。，脉动风所引起的附加攻角是△(t)。在平均风风轴坐标系下，整理后忽略高阶项可以得到Davenpo~的抖振力公式：L(t)=pUB[2c+(CtL+C。)](8)D(1)=丢B[2c。](9)图5大桥有限元模型图M(t)=B[2c](10)3几何非线性对结构抖振响应的影响分析式中，P表示空气的密度；CL-C卟C分别为气桥梁跨度的大幅度增加，引起结构的整体刚度急动升力、气动阻力与扭矩系数；CC。、C分别为剧下降，同时伴随着结构阻尼的相应降低，使得桥梁气动升力、气动阻力与扭矩系数相对于攻角的导对风的敏感程度提高。悬索桥作为柔性较大的结构数；U为来流平均风速，

7、u、W分别为来流中顺风向以类型，在外力作用下呈现出大位移的特点，必须考虑及竖向的脉动风速。几何非线性因素的影响。几何非线性产生的最根本2本文的有限元计算模型的原因就是结构发生了大位移、小应变的变形，几何有限元计算模型选用某特大悬索桥，主跨运动方程呈现非线性。下面将对结构在风荷载作用下1176m，加劲梁长1000．5m。南岸无索区长95m，主出现大变形所表现出的几何非线性进行初步研究。梁通过部分路基与隧道相连；北岸无索区长在重力作用下，忽略桥塔和主缆的所有风荷载，109．5m，主梁直接与隧道连接。该桥主梁为钢桁架只在主梁68个加载结点上施加静风力和抖振力，对结构，

8、扭转刚度较大，按照模型的