双斜塔钢箱梁斜拉桥全桥气动弹性模型设计.pdf

8 铁道建筑 Ra i l wa y Eng i n e e r i ng 文章 编 号 1 0 0 3 ． 1 9 9 5 2 0 1 2 1 2 0 0 0 8 0 4 双斜塔钢箱梁斜拉桥全桥气动弹性模型设计 高 伟 ， 李志国 ， 王 骑 ， 王玉柱 西南交通大学 风工程试验研究 中心 ， 四J I I 成都6 1 0 0 3 1 摘 要 全桥 气弹模 型设 计是 大跨 度桥 梁风 洞试验 中的 重要环 节。 气动 弹性 模 型设 计 不仅 要 满 足 相似 准 则 ， 还要 满足 气动 外形 相似 ， 从 而增加 了模 型设 计 的 困难。 以 某双斜 塔 钢 箱 梁斜 拉桥 为例 ， 详 细 介 绍 了 大跨度桥梁风洞试验 中使用的全桥气动弹性模型的设计、 制作、 安装和调试方法， 以供 同行参考借鉴。 关 键 词 大跨 度 斜拉桥风 洞试 验全桥 气弹模 型 设计 和 制造 中图 分类 号 U 4 4 8 ． 2 7 文献标 识码 A D O I 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 3 1 9 9 5 ． 2 0 1 2 ． 1 2 ． 0 3 现代大跨度桥梁 由于其 自身具有轻、 柔、 阻尼小等 特点 ， 对 于风 的作用 较为 敏感 ， 因而 抗风 性能 评估 成为 大跨度桥梁设计的必要环节。抗风性能评估主要依靠 理论分析和风洞试验等手段 ， 而风洞试验是 目前最可 靠的手段 。在各类风洞试验方法 中， 全桥气弹模型风 洞试验可以更为真实地模拟 自然风作用下桥梁结构的 各种空气动力作用 ， 以及结构 主要振型之间的相互耦 合作用 ， 是检验桥梁颤振 、 抖振 、 涡激振动及静风稳定 性最直接和最准确 的方法。因此 ， 对于重要 的大跨度 桥梁， 全桥气动弹性模型风洞试验是评估其抗风性 能 的主要手 段 。 桥梁结构风致 响应 的主要影 响因素包括气动外 形 、 结构动力特性和 自然风特性。因此， 模型的设计必 须同时兼 顾前两方面要求。相对 于节 段模型风洞试 验 ， 全桥气弹模型除了在动力特性上满足重要模态的 频率和阻尼相似外 ， 还必须满足振型的相似性 ， 从而保 证整个模型的风致 响应可按相似关 系换算到实桥上。 8 O 0 0 0 45 x 0 1 乌兰木伦 河 4号景观大桥概况 拟建 的鄂 尔多斯 市 乌兰木 伦河 4号 景观 大桥 主跨 为 4 5 0 m 的双斜 塔钢箱 梁斜拉桥 。钢桥 塔高 近 1 3 0 m， 主跨采用流线形钢箱梁 ， 边跨采用预应力混凝土箱 梁结构， 梁高 3 m， 梁宽 3 7 n l 。图 1为该桥的总体布 置 ， 图2为箱梁横断面。 2全桥动力特性分析 2 ． 1 全桥 动力 有限元 模型 本文运 用有 限元 软件 A n s y s 对 主桥 建立 有 限元 计 算模型。主梁结构计算模 型采用传统 的“ 鱼骨梁” 模 型 ， 主跨钢箱梁和边跨混凝 土箱梁采用空间梁单元 模拟 ， 斜钢塔为变截面 ， 采用渐变空间梁单元模拟， 斜 拉索采用空间索单元模拟。桥面系采用质量点单元模 拟集 中质量和质量惯矩。其 中， 主梁划分 2 7 6个单元 沿主梁上一个索距划分一个单元 ， 两个桥塔分别划 图 1 乌兰木伦河 4号景观大桥总体 布置 单位 e m 收稿 日期 2 0 1 2 0 4 ． 1 0 ； 修 回日期 2 0 1 2 0 8 ． 2 7 作者简介 高伟 1 9 8 6 一 ， 男 ， 山东菏泽人 ， 硕士研究生 。 分 4 7个和 4 6个单元 。模型中斜拉索与主梁的连接近 似采用刚臂。成桥状态 约束条件为 桥塔底部和墩底 部按照实际条件设置固定约束 ， 6个 自由度全部 限定 ； 2 0 1 2年第 l 2期 双斜塔钢箱梁斜拉 桥全桥气动弹性模 型设计 9 7 0 0 l 1 3 O 图 2主梁横断 面 单位 e m 辅助墩 6 ～ 9 ， 1 2 ～1 5 以及两个主塔处 的墩柱在竖 向、 横向及顺桥 向的扭转三个方 向的 自由度 与主梁进 行耦合限定 。 2 ． 2 有 限元动 力特 性计 算 结果 运用有限元软 件 A n s y s 计算 了主桥前 3 O阶结构 动力特性。表 1列出了对桥梁抗风有重要作用 的几 阶 模态 的频率和振型特点。 表 1 成桥状 态部分阶次结构动力特性 中跨 3 全桥气 弹模型的设计和制作 3 ． 1 概 述 气动弹性模型试验， 除了满足几何相似之外， 还应 满足弹性参数 、 惯性参数、 重力参数、 阻尼参数 、 黏性参 数等无量纲参数的相似 。模型与实桥参数的相似关系 列于表 2， 模型设计将依据相似关系进行 。 模型设计包括芯梁设计、 外模设计及配重计算三 部分 。芯梁设计 根据缩尺下来 的实桥截 面抗弯刚度 和抗扭刚度进行芯梁的截面设计。对于芯梁的截面选 择 ， 遵从截面形式简单 、 加工制造方便的原则 ， 按矩形 、 槽型、 工字型等由简单截 面到复杂截面的顺序进行对 比选择。具体截面尺寸需要基于有限元软件建模试算 确定 。考虑到外模与芯梁的连接会在一定程度上增加 主梁 的刚度 ， 因此全桥气 弹模 型芯梁的抗 弯刚度 比实 桥按缩尺下来 的抗弯刚度数值小 5 ％ ， 而抗扭刚度 比 实桥缩尺下来 的刚度数值 小 7 ％ ～1 0 ％。此外 ， 对于 质量及质量惯性矩的相似必须严格满足 ， 误差不能超 过 3 ％， 否则无 法满足动力模 型的基本要求 。具体设 计芯梁时 ， 其质量不要超过设计基准值的一半 ， 剩余 的 质量和质量惯性矩主要通过 配重完成。基于此点 ， 对 于芯梁材料可 以选择铝合金等各类轻 质材料 进行对 比， 以便在满足刚度要求的前提下尽量轻便。 表 2 全桥气动弹性模型 与实桥各参数的相似关 系 外模设计按照与实桥外形一致的原则 ， 按缩尺 比 分段设 计 ， 节段 长 度 根据 实 际情 况 而 定 ， 一 般 可取 2 0 0 5 0 0 m m为一段。但在拉索 区， 为了得 到更 接近 于实际情况的结果 ， 对于 中跨及边跨近桥塔 处的节 段 上 ， 斜拉索锚固点不得多于两个 ， 而在边跨远桥塔处可 以适 当放宽。节段与节段之间要预留 12 mm的缝 隙 ， 以防止外模相互碰撞对刚度和阻尼产生较大影响。 外模材料根据实际情况可选择工程塑料或木材 ， 同时 设置一些纵肋 、 横肋或斜肋 以增强局部刚度 。考虑加 工 、 制造和安装的方便性 ， 外模的长度和类型应尽量趋 向一致。 根据实桥缩尺要求的模型质量 ， 参照芯梁质量 、 外 模质量等计算每一节段所需的配重 ， 同时还要依据质 量惯性矩要求 ， 计算出配重分布的位置。 在实际的设计过程中， 三步要同步进行 ， 避免出现 不搭配的现象 ， 费工费料。最后对设计的气动弹性模 型建立动力有限元分析模型 ， 通过动力特性计算将获 得的各阶模态和实桥做对 比。模态之间的相对误差需 下● 一 1 0 铁道建筑 要控制在 5 ％ 以内， 并 以此作为检验模型设计是 否合 理正确 的参考依据。 3 ． 2主梁模 型设 计 ㈤ 为满足主梁横向、 竖 向刚度以及扭转刚度的相似 a 跨 中 性要求 ， 根据初步试算结果 ， 对于跨 中钢箱梁部分 ， 芯 梁选用槽形钢梁 ； 边跨混凝土箱梁部分 ， 芯梁选用矩形 钢梁。通过尺寸参数调整可满足主梁三种刚度的相似 要求 ， 芯 梁截 面见 图 3 。 图 3钢芯梁模 型横 断面 单位 mm 主梁外模主体选用工程塑料制作 ， 盖板选用泡 沫 材料制作。中跨 分 1 8段 ， 两边跨各分 8段 ， 共 3 4段 。 外模通过螺钉固定在钢芯梁上。桥面系统如人行道栏 杆 、 路缘石 、 防撞栏等均进行了外形模拟。对于边跨混 凝土部分 ， 根据实桥与模型之 间弯 曲刚度相似关 系 1 ， 扭转冈 lJ 度相似 1进行 对应换算 。对于钢混结合段 ， 两种材料的弹性模量需 要换算 ， 根据平截面假定 ， 由换算前后应变相等可知 ，其 中， E， A为钢梁弹性模量及面积 ， E ， A 为 B n 混凝土弹性模量及面积。具体设计 中所选取的材料参 数 如下 混凝土弹性模量 E 3 ． 4 51 0 P a ， 剪切模量 G 0 ． 4 2 8 E ， 钢芯梁弹性模量 E 2 ． 11 0 “P a ， 剪 切模 量 G 0 ． 3 8 5 E。 表 3和表 4分别 给出 了实桥 中跨 和边跨 各部 件 的 刚度、 质量 、 质量惯矩及相应模型的要求值。 表 3 中跨钢箱梁模型主要参数 n6 0 3 ． 3桥塔 、 辅助 墩模 型设 计 桥塔 气弹模 型 由钢芯梁 、 木质外模 和配重构成。 其中钢芯梁模拟结构刚度 ； 外模模拟结构外形 ； 在木外 模 中安装配重以完善结构的质量及分布。钢芯梁采用 矩形截面。根据等效刚度原则可以计算得到不同位置 处的芯梁尺寸。桥塔芯梁和外模同样需要根据实际情 b 边 跨 表 4 边跨混凝土箱梁模型主要参数 n 6 0 况进行分段 ， 一般桥塔芯梁可分为 3～ 5段 ， 外模则为 1 0 0～ 2 0 0 mm一段 。 3 ． 4斜拉 索模 型设计 斜拉索模型设计 的基本原则是气动力相似 、 质量 相似和拉伸刚度相似。拉索 由康铜 丝、 铝棒 以及 弹簧 构成。康铜丝和弹簧串联起来模拟斜 拉索 的刚度 ； 康 铜丝及铝棒模拟斜拉索 的分布质量 ； 铝棒 同时还模 拟 索面 的迎风面积。考虑到圆形截面阻力系数对雷诺数 的敏 感性 ， 模 型可适 当增 大拉 索外 形 以及 表 面粗糙 度 ， 以增 大 阻力系 数 。斜 拉 索配重 的设 计 以质量 相似 为 主 要控制因素， 同时也需要适应气动力的相似。弹簧的 设计是重点 ， 因为模型拉索的刚度基本 由弹簧提供 。 设计时可通过 自编的小程序来实现 确定每根斜拉索 模型所需 的弹簧圈半径 、 弹簧丝直径以及弹簧圈数。 3 ． 5 基 于有 限元 动力特 性计 算 的设计检 验 检验设计 的全桥气动弹性模型是否合理 ， 对于 即 将进行 的风洞试验的精度和试验结果可信度具有重要 的作用。在模型实际安装前 ， 必须通过有限元动力特 性分析对设计的气弹模型进行验算 ， 以使得各项相似 参数指标均满足试验要求 。基于计算结果 ， 把得到 的 各阶模态和实桥作对比， 模 型频率要求值与计算值相 对误差控制在 5 ％ 以内， 并 以此作为检验模型设计是 否正确的标准。最后 ， 可通过不断微调设计构件 的截 面尺寸， 以获得最佳 的模拟效果。在完成全桥气弹模 型设计后 ， 表 5列出了几个重要振型的对 比结果 ， 表 明 模型的设计是正确可靠的， 可以作为最终的设计方案 。 2 0 1 2年第 l 2期 双斜塔钢 箱梁斜拉桥全桥气动 弹性模 型设计 表 5模 型频率的要求值 与计 算值 4 气 弹模型的安装和检 验 桥塔、 辅助墩在实际中为固结约束 ， 因此在安装时 先将其焊接在一块厚钢板上 ， 再用螺栓将此钢板 与风 洞地面牢固连接 ， 以确保基础的刚度 。对于桥面高度 的设定 ， 需在以下两方面进行考虑 在均匀流试验条件 下 ， 桥面需要离风洞地面 6 0～7 0 c m， 以避开风洞下边 界层的干扰 ； 在紊流试验条件下 ， 需要确保桥面处 的风 速剖面参数和紊流度参数满足设计要求。 主梁芯梁考虑到制作及运输 的方便性 ， 并考虑到 施工状态 ， 一般分为若干段进行加工 和组装 。本试 验 中分为 4段 边跨两段 ， 每段长 3 ． 0 7 m， 中跨两段 ， 每段长 3 ． 6 0 m， 在每段接头处通过螺钉连接。在模拟 施工状态时， 拆除不需要 的梁段 即可实现。芯梁在桥 塔处通过与模拟支座构件的连接实现设计中所要求 的 约束 ； 芯梁在辅助墩和交接墩处 的连接也按照这样 的 方法进行。在本试验中芯梁通过支出钢条与桥塔及桥 墩上的支座固定连接 ， 对 应的约束通过滑轨方式模拟 支座来实现。通过这样 的约束方式 ， 可实现主梁竖 向 位移 、 侧向位移及扭转位移 的单独约束和几个方 向的 同时 约束 。 ‘ 主梁芯梁分段拼装结束 以后 ， 由于还未装上斜拉 索实现预应力 ， 除了架设 在桥塔下横梁及辅助墩支座 上 ， 还需要在跨中与四分跨位置设置 临时垫高 以确保 芯梁的整体线形。芯梁与气动外模通过设计的垫块用 螺钉连接在一起 。在外模装配完成后 ， 还需要在外模 内特定位 置粘贴 配重 ， 盖 上盖板 活盖 ， 其 上粘 贴栏 杆、 防护栏 等构件 ， 主 梁安 装初告 段落 。拉索 安装 时 ， 刚度弹簧 安装 在靠近桥塔端 防止对 主梁的气动 影响 ， 通过康铜丝分别将 主梁和桥塔相连 ， 并将弹簧 初步张紧。每根拉索长度要 比实际模型 中的长 1 0 ～ 1 2 c m， 以便两端拉紧固定 。 根据桥 面线形进一步调整模型 ， 以使桥面各处高 度满足设计要求。调整时可通过张弛拉索、 微调外模 的方式使桥 面平整 ， 主梁顺直 。 在线形调整完毕后 ， 需要按照模态试验的步骤 ， 采 用稳态激励 的扫频方式对全桥模型的各阶模态进 行测试 ， 以获得 对应 的频率 、 振型 和阻尼 比。一般来 说 ， 频率和振型都会在设计误差范围内， 而阻尼在初步 装配后一般会偏大。这个时候就需要对模型可能接触 的部分进行检查和微调 ， 以降低各个部分可能存在的 阻尼影响 ， 从而起到降低阻尼 比的 目的。另外 ， 若发现 频率出现较大差异 ， 就需要检查桥塔的约束 ， 即主梁和 桥塔、 桥塔和塔基的连 接情况 。因为不正确的约束将 引起刚度上 的变化 ， 从而造成频率 的变化 ， 如桥塔底部 连 接地 板 的螺 钉松 动 。 5 结论 本文全 面介绍 了全桥气动弹性模型 的设计 思路 、 设计原则、 制作方法 ， 数值验算 ， 以及模型后期的安装 、 检验及修正。采用本文所述方法设计全桥气动弹性模 型， 可将模态相对误差控制在 5 ％ 以内， 以满足风洞试 验对相似 比的要求 ， 从而保证风洞试验结果 的可信度 。 参 考 文 献 [ 1 ] 徐洪涛 ， 何 勇 ， 邹隽 ， 等． 特大跨径桁架加劲 梁颤 振稳 定性气 动优化措施风洞试验研究 [ J ] ． 公路交通科技 ， 2 0 1 0 2 4 8 5 3 ． [ 2 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