某简支梁桥的抖振响应分析

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　　摘要：桥梁施工技术不断进步成熟，促使了当今城市、公路桥梁向大跨度的方向发展。随着跨度的不断增加，桥梁的刚度变小，柔度增大，对风的敏感度提高。所以，桥梁的风致响应分析是桥梁建设领域的一个重要课题。本文以小跨度简支梁桥为工程背景，简单介绍桥梁抖振振动响应的数值模拟过程以及相关的理论基础，包括：脉动风速时程模拟、截面三分力系数模拟、荷载时程模拟以及桥梁抖振结构响应分析。
　　关键词：简支梁;抖振;脉动风;三分力系数;荷载时程
　　引言
　　自然风由平均风和脉动风组成。其中，平均风是常量，不随时间变化，而脉动风随时间不断变化。风对桥梁的荷载响应形式包括静风荷载、抖振、驰振、颤振和涡激振动。风对桥梁的静力荷载是由平均风引起的，静风会使桥梁结构发生扭转失稳和侧弯失稳。
　　抗风设计中，要求把抖振的最大振幅限制在可接受的范围内，以避免结构的疲劳、人感不适以及行车不安全等问题[1]。本文的分析对象是小跨径简支梁桥，刚度相对比较大，抖振分析是本文的分析对象。
　　1.脉动风模拟
　　目前对脉动风的模拟的方法主要有两种，即谐波分析法和线性滤波法。谐波分析方法计算量比较大。相反，AR模型具有速度快、计算量小和精度高的特点，得到广泛的应用[2]。本文采用的方法是AR模型。本文以跨径为20m的简支梁为工程背景，整个结构由20个单元，21个节点组成，每个单元的单元长度均为1m。主梁高度设为20m。
　　脉动风速水平方向分量采用Kaimal风速谱，竖向方向分量采用Panofsky风速谱。平均风速假设为24.1m/s。模拟结果如下：
　　2.動力风荷载
　　2.1 截面三分力系数
　　通过风洞实验测定经理三分力系数来描述风对桥梁的静力作用，但需要缩尺模型，且具有周期长、成本高、不能进行强风暴雨模拟等特点[3]。前人经过对比风洞实验和CFD数值模拟结果，证明了CFD模拟的精确性。本文利用Fluent软件，模拟计算整体式肋梁截面的静力三分力系数。
　　图9可见，纵桥向位移为0，对比图7中的瞬态分析纵桥向位移，说明风动力荷载会引起纵桥向的微小振动，但振动幅度很小。从Ansys计算可知，跨中节点的位移放大系数，在100s时间内，大部分时候保持在之间。由于结构振动的滞后性，使少数时间点对应的位移放大系数很大，达到1000左右。
　　4 结论
　　本文以小跨径简支梁桥为工程背景，介绍了数值模拟风谱和计算三分力系数并通过Ansys建模计算抖振响应的过程，计算结果表明：在升力、阻力和力矩的作用下，桥梁主要振动响应是横桥向和竖向的振动;在100s的时间内，桥梁跨中的线位移比两边的线位移大;通过对比静态分析的结果，发现跨中节点位移放大系数大部分时间保持在之间，个别的比较大，其原因可能是结构振动的滞后性。
　　参考文献
　　[1] 高墩大跨连续刚构桥的风致响应分析.
　　[2] 基于AR模型的空间脉动风速时程模拟方法研究.
　　[3] CFD在桥梁断面静力三分力系数计算中的应用.
　　[4] 高墩大跨连续刚构桥的风致响应分析.
　　[5] 大跨度公路斜拉桥风致抖振时域分析.
　　[6] 关于桥梁结构的气动导纳.
　　[7] 桥梁风致响应的数值模拟.
　　（作者单位：华南理工大学土木与交通学院）
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