图 2 加劲梁标准截面示意图 ( 单位 :mm) Fig.2 Standardcrossectionlayoutofstifnesgirder(unit:mm) 2 结构动力特性分析根据主梁对称施工的特点, 结构动力特性分析共设置 5 个施工状态, 如图 3 所示, 分别为 20% 40% 60%

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樱登融
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泰州大桥主梁施工阶段的颤振稳定性及管理对策李承, 陈艾荣, 马如进 ( 同济大学土木工程学院桥梁工程系, 上海 200092) [ 摘要 ] 以三塔两跨的泰州大桥为研究对象, 根据有限元分析及全桥气弹模型风洞试验的结果, 对主梁对称架设施工阶段的动力特性及颤振稳定性进行了研究结合桥位地区 30 年的月极大风速分析, 对主梁架设阶段的颤振稳定性进行了评价

1 泰州大桥主梁施工阶段的颤振稳定性及管理对策李承, 陈艾荣, 马如进 ( 同济大学土木工程学院桥梁工程系, 上海 ) [ 摘要 ] 以三塔两跨的泰州大桥为研究对象, 根据有限元分析及全桥气弹模型风洞试验的结果, 对主梁对称架设施工阶段的动力特性及颤振稳定性进行了研究结合桥位地区 30 年的月极大风速分析, 对主梁架设阶段的颤振稳定性进行了评价最后提出了一套针对悬索桥施工阶段颤振稳定性评价及策略确定的流程, 可供其他桥梁参考 [ 关键词 ] 多塔悬索桥 ; 施工阶段 ; 颤振稳定性 ; 管理对策 [ 中图分类号 ] U [ 文献标识码 ] A [ 文章编号 ] (2012) 前言悬索桥在施工阶段的刚度低于成桥状态, 并且其抗风性能随着施工进行而逐渐变化, 因此大型悬索桥在主梁架设阶段的颤振稳定性一直备受设计者关注目前相关的研究主要集中在结构的动力特性刚度和阻尼主梁拼装长度 [1] 主梁截面非线性 [2] 气动性能等因素对悬索桥施工阶段颤振稳定性的影响, 以及非对称架设法 [3~9] 迎风侧附加偏心质量 [10] [11] 扰流板和临时加劲构造 ( 如水平交叉索 ) [8] 等附加措施的改善情况三塔两跨悬索桥同传统悬索桥在结构体系上有很大的不同 [12,13], 尤其是主梁架设阶段的颤振稳定性及其颤振特征以泰州大桥为背景, 通过析和风洞试验, 对大桥主梁架设施工阶段的颤振稳定性进行研究, 同时对施工阶段主梁的颤振稳定性能进行评价泰州大桥为 ( )m 的三塔两跨悬索桥主梁采用扁平流线型钢箱梁, 梁高 3.5m, 梁宽 39.1m 中塔和边塔采用门式结构, 其中中塔侧面为人字形布置中塔高 194m, 边塔高 172.7m, 主缆矢高 120m 大桥立面布置如图 1 所示, 主梁标准截面示意图如图 2 所示图 1 泰州大桥立面布置图 ( 单位 :m) Fig.1 ElevationofTaizhouBridge(unit:m) [ 收稿日期 ] [ 基金项目 ] 国家科技支撑计划资助项目 (2009BAGl5B01); 交通行业联合科技攻关项目 ( ) [ 作者简介 ] 陈艾荣 (1963 ), 男, 贵州遵义市人, 同济大学教授, 研究方向为桥梁结构设计理论 ; a.chen@tongji.edu.cn 46

BlockLanczos 方法分析获得每个状态的频率和振型, 如图 4 图 5 所示表 1 给出了 5 个施工状态下的主要频率和扭弯频率比由分析结果可以发现, 随着施工阶段的发展, 主梁的竖弯频率有下降趋势, 而扭转频率逐渐增加, 扭弯频率比也逐渐增大可见, 随着施工阶段的发展, 主梁的颤振稳定性也随之增加图 3 对称拼装情况下施工状态定义 Fig.

2 图 2 加劲梁标准截面示意图 ( 单位 :mm) Fig.2 Standardcrossectionlayoutofstifnesgirder(unit:mm) 2 结构动力特性分析根据主梁对称施工的特点, 结构动力特性分析共设置 5 个施工状态, 如图 3 所示, 分别为 20% 40% 60% 80% 以及 100% 施工阶段的动力特性分析是在成桥阶段有限元模型基础之上利用倒拆分析进行在获得每个施工状态的静力线形后, 计入初始的应力状态, 采用 BlockLanczos 方法分析获得每个状态的频率和振型, 如图 4 图 5 所示表 1 给出了 5 个施工状态下的主要频率和扭弯频率比由分析结果可以发现, 随着施工阶段的发展, 主梁的竖弯频率有下降趋势, 而扭转频率逐渐增加, 扭弯频率比也逐渐增大可见, 随着施工阶段的发展, 主梁的颤振稳定性也随之增加图 3 对称拼装情况下施工状态定义 Fig.3 Definitionofconstructionstagesundersymmetricasembly 表 1 施工阶段有限元模型动力特性 Table1 Thedynamicpropertyoffiniteelement methodatconstructionstage 图 4 60% 施工状态一阶竖弯振型 Fig.4 Thefirstverticalmodeshape atthe60% constructionstage 拼装率 20% 40% 60% 80% 100% 竖弯基频 /Hz 扭转基频 /Hz 扭弯比气弹模型设计制作及试验结果图 5 60% 施工状态一阶扭转振型 Fig.5 Thefirsttorsionalmodeshape atthe60% constructionstage 施工状态的颤振稳定性利用全桥气弹模型风洞试验进行研究模型缩尺比确定为 C L =1 200, 相应的风速比为模型设计时主缆模拟的基本原则是根据气动力相似质量相似和拉伸刚度相似, 利用康铜丝模拟主缆和吊杆的刚度, 铝质量块模拟主缆质量加劲梁由槽型铝芯梁与泡沫外衣组成, 其中铝芯梁模拟加劲梁 3 个方向的刚度, 泡沫外衣 2012 年第 14 卷第 5 期 47

3 模拟主梁的气动外形, 同时还考虑了栏杆以及检修车轨道的影响施工状态的气弹模型如图 6 所示图 6 泰州大桥全桥气弹模型 (40% 拼装率 ) Fig.6 ThefulaeroelasticmodelofTaizhou Bridge(40% asemblyratio) 是难以通过相应要求的然而实际主梁架设的施工工期一般只有 5~6 个月, 针对这种架设期短的主梁施工, 文章提出一种基于历史月最大风速统计分析的施工期间颤振检验风速分析方法该方法首先需要建立桥位测站与具有丰富历史气象数据的气象站的风速相关性, 由此获得桥位处各月设计基准风速, 进一步获得施工期间检验风速随月份的变化曲线根据这种检验风速的变化规律, 可以合理安排施工进度, 使最不利的施工状态避开最高的颤振检验风速时段以泰州大桥为例具体阐述该方法根据文献 [15], 年 32 年间扬中累年各月 10min 平均风速最大值变化曲线见图 8 由图 8 中曲线可以发现, 桥位的设计风速有两个非常明显的峰值, 分别在 4 月和 8 9 月, 即存在两个大风期颤振稳定性试验主要在均匀流场下进行, 采用调坡板实现流场的攻角效应, 分别模拟了 3 0 以及 -3 攻角的状态通过该试验所获得的颤振临界风速随拼装率变化曲线如图 7 所示由试验结果得出, 随着拼装率的增加, 颤振稳定性近似呈增加趋势, 进一步验证了有限元模型的动力特性分析结果图 8 扬中年 10min 平均风速各月最大值变化曲线 Fig.8 Monthlymaximum 10minwind speedofyangzhongcityduring 图 7 颤振临界风速随拼装率变化曲线 Fig.7 Flutercriticalwindspeedwiththe changeofasemblyratio 4 施工阶段颤振稳定性评价根据现行桥梁抗风规范 [14], 大桥施工阶段的颤振检验风速为 50m/s, 如图 7 中虚线所示对比可见, 施工前期, 主梁在 3 种攻角下的颤振稳定性都不能满足规范要求, 其中 3 攻角的颤振稳定临界风速要在拼装率大于 60% 后才能满足颤振稳定性的要求因此在传统意义上, 施工阶段的抗风稳定性另外, 同步观测资料分析表明年间桥位与扬中市气象站日最大风速间的线性相关显著, 均能达到 0.01 以上的信度, 相应通过该气象站风速资料推算 99% 保证率上限的桥位风速计算式为 V 桥 = V 站通过分析, 桥位测站与气象站的风速数据的相关系数是 0.728, 同时扬中的气象站有 30 年的历史数据, 这个时间跨度已经超过了该桥施工阶段的设计重现期可见, 利用该数据进行施工期间的逐月颤振检验风速推算具有较好的可靠性根据文献 [16], 桥位的风剖面指数为 α=0.11, [14] 大桥桥面离水面约 68m 依照抗风规范计算主 48

4 梁架设施工期间的逐月颤振检验风速, 如图 9 所示图 9 颤振检验风速与施工各阶段颤振临界风速变化曲线图 Fig.9 Flutercheckingwindspeedandfluter criticalwindspeedatconstructionstages 由图 9 可以发现, 只要合理进行主梁架设阶段的组织安排, 避开最不利的大风期, 则主梁施工期间的颤振稳定性是有足够保证的泰州大桥主梁架设实际施工从 5 月份开始到 10 月份结束, 该施工组织安排能够满足主梁颤振稳定性检验的要求基于此, 提出了一种针对悬索桥施工阶段颤振失稳风险的管理策略, 如图 10 所示首先, 根据施工速度以及其他不可更改的时间限定因素, 制订出初步的施工进度安排其次, 根据有限元计算和风洞试验, 对各施工状态下结构的颤振稳定性进行评价在部分施工阶段颤振稳定性富余度不足的情况下, 根据桥位附近风环境周期性特点的研究, 对初步的施工组织安排进行调整如果仍然不满足颤振稳定性检验的要求, 则需要采取必要的措施提高结构施工阶段颤振稳定性图 10 悬索桥施工阶段颤振失稳风险应对策略流程图 Fig.10 Designstrategyforfluterdivergencecontrolofsuspensionbridgeduringconstructionstage 5 结语以泰州大桥为背景, 通过有限元方法及全桥气弹模型试验, 对三塔两跨悬索桥对称架梁施工过程的颤振稳定性进行了分析及对策研究施工过程的颤振稳定性试验表明, 大桥在 60% 拼装率以上时, 具有较好的颤振稳定性在针对桥位地区历史风速数据统计分析的基础之上, 提出了一种经济合理的抗风风险管理对策, 通过合理改变施工阶段的组织安排, 避开大风多发时期, 从而达到降低主梁在架设阶段发生颤振稳定失效的风险的目标参考文献 [1] 陈艾荣. 宜昌长江公路悬索桥施工全过程的空气动力稳定性 2012 年第 14 卷第 5 期 49

5 试验 [C]// 第六届全国风工程及工业空气动力学学术会议论文集,2002: [2] ZhangXJ,SunBN,XiangHF.Nonlinearaerostaticandaerody namicanalysisoflong spansuspensionbridgesconsideringwind structureinteractions[j].journalofwindengineeringandindus trialaerodynamics,2002,90: [3] HTanaka,NJGimsing.Aerodynamicstabilityofnon symmetrical lyerectedsuspensionbridgegirders[j].journalofwindengineer ingandindustrialaerodynamics,1999,80: [4] DiegoCobodelArco.Improvingthewindstabilityofsuspension bridgesduringconstruction[j].journalofstructuralengineering, 2001,127(8): [5] GeYJ,TanakaH.Aerodynamicstabilityoflong spansuspension bridgesundererection[j].journalofstructuralengineering, 2000,126: [6] ZhangXJ.Investigationonaerodynamicstabilityoflong spansus pensionbridgesundererection[j].journalofwindengineering andindustrialaerodynamics,2004,92:1-8. [7] 张新军, 陈艾荣, 项海帆, 等. 大跨度悬索桥施工阶段颤振稳定性研究 [J]. 公路,2001(10): [8] 刘竹钊, 何宪飞, 陈艾荣, 等. 大跨悬索桥施工过程颤振稳定分析 [J]. 同济大学学报 : 自然科学版,2002,30(5): [9] 魏志刚, 葛耀君, 杨泳昕. 大跨悬索桥对称和非对称架梁施工颤振稳定性研究 [J]. 土木工程学报,2008,41(6): [10] LarsenA.Predictionofaeroelasticstabilityofsuspensionbridges duringerection[j].journalofwindengineeringandindustrial Aerodynamics,1997,72: [11] 刘高. 增设主梁下风侧翼板抑制悬索桥架设阶段颤振的研究 [J]. 工程力学,2001,18(5): [12] 阮静, 马如进. 三塔双跨悬索桥动力特性分析 [J].,2010,12(8): [13] 王达磊, 马如进, 陈艾荣, 等. 泰州长江公路大桥三塔悬索桥的颤振稳定性 [J]. 桥梁建设,2011(1): [14] 中华人民共和国交通部.JTG/TD 公路桥梁抗风设计规范 [S]. 北京 : 人民交通出版社,2004. [15] 江苏省气象科学研究所. 泰州公路过江通道气候背景及风参数研究 [R]. 江苏 : 江苏省气象科学研究所,2008. [16] 同济大学土木工程防灾国家重点实验室. 泰州长江公路大桥全桥气弹模型试验研究 [R]. 上海 : 同济大学,2009. Fluterstabilityandmanagementstrategyforthe deckoftaizhoubridgeduringconstructionstage LiChengcheng,ChenAirong,MaRujin (DepartmentofBridgeEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China) [Abstract] Inthispaper,TaizhouBridge,athree towersuspensionbridgewasinvestigatedtodiscoverthe fluterstabilityofdeckundersymmetricalconstructionthroughfem(finiteelementmethod)analysisandfulaero elasticmodeltests.theasesmentoffluterstabilityduringdeckconstructionstagewasperformedbasedonanaly sisofthemonthlymaximumwindspeedinthepast30years.intheend,theasesmentandmanagementstrategy offluterstabilitywereproposed,whichcanbereferedforotherbridges. [Keywords] multi towersuspensionbridge;constructionstage;fluterstability;managementstrategy 50

7 北京大学学报医学版 # +94* 4 ' % 论著!! "# $ #% %"&!%'!! $ "( )& * $ +,-.)/ ) 01 " * ). " 2")3 )01 ( /" 433% /1 " 0 "51 " -.)/$ 6',)") 4.))%) 0

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