大跨极窄人行悬索桥动力特性及风振响应研究
大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析
大跨度斜拉桥颤抖振响应及静风稳定性分析一、本文概述随着交通工程技术的不断发展和创新，大跨度斜拉桥作为现代桥梁工程的重要代表，其在桥梁建设领域的应用越来越广泛。
然而，随着桥梁跨度的增大，其结构特性和动力学行为也变得越来越复杂，尤其是在强风作用下的颤抖振响应和静风稳定性问题，已经成为桥梁工程领域研究的热点和难点。
本文旨在针对大跨度斜拉桥的颤抖振响应及静风稳定性进行深入的分析和研究，以期为提高大跨度斜拉桥的设计水平和安全性提供理论支持和实践指导。
本文首先将对大跨度斜拉桥的结构特点和动力学特性进行概述，阐述其在强风作用下的颤抖振响应机制和静风稳定性的基本概念。
接着，本文将详细介绍大跨度斜拉桥颤抖振响应的分析方法，包括颤振机理、颤振分析方法以及颤振控制措施等。
本文还将探讨大跨度斜拉桥的静风稳定性分析方法，包括静风稳定性评估方法、静风稳定性影响因素以及静风稳定性控制措施等。
本文将结合具体工程案例，对大跨度斜拉桥的颤抖振响应及静风稳定性进行实例分析，以验证本文所提分析方法的有效性和实用性。
本文的研究成果将为大跨度斜拉桥的设计、施工和运营提供有益的参考和借鉴，对于提高我国桥梁工程的设计水平和安全性具有重要的理论意义和实践价值。
二、大跨度斜拉桥颤抖振响应分析大跨度斜拉桥作为现代桥梁工程的重要形式，其结构特性和动力行为是桥梁工程领域研究的重点。
颤抖振，作为一种常见的桥梁振动形式，对桥梁的安全性和使用寿命有着重要影响。
因此，对大跨度斜拉桥的颤抖振响应进行深入分析，对于优化桥梁设计、确保桥梁安全具有重要的理论价值和实际意义。
在颤抖振分析中，首先要考虑的是桥梁结构的动力学特性。
大跨度斜拉桥由于其特殊的结构形式，其动力学特性相较于传统桥梁更为复杂。
在风的作用下，桥梁的振动会受到多种因素的影响，包括桥梁自身的结构参数、风的特性以及桥梁与风的相互作用等。
因此，在进行颤抖振分析时，需要综合考虑这些因素，建立准确的动力学模型。
要关注颤抖振的响应特性。
大跨径悬索桥风致振动及抗风措施
大跨径悬索桥风致振动及抗风措施摘要：悬索桥以主缆为主要承重结构具有跨越能力大、雄伟壮观、造型优美等优点而成为大跨径桥梁结构首选桥型之一。
但随着跨度的增大，悬索桥的刚度变小，对风的敏感性越来越大，对抗风要求也越来越高。
大跨度悬索桥在风荷载的作用下，主要构件会产生各种形式的振动。
简述了国内外悬索桥抗风的发展和研究历史，分析了悬索桥风致振动的形式，并提出增强结构刚度、抑制风致振动的抗风措施。
关键词：大跨径悬索桥、风致振动、抗风措施1 前言悬索桥是以缆索为主要承重结构的桥梁结构，由于其强大的跨越能力，成为跨越宽大江河、海湾的首选桥型之一。
我国修建悬索桥的历史久远，早在千年之前，四川就已出现竹索桥。
明清时期，在我国西南地区，修建有诸多铁索桥，有些索桥至今仍在使用，著名于世的有贵州盘江桥和四川泸定桥。
在国外，也存在古老的悬索桥，如麦地海峡桥和克里夫顿桥。
20世纪初，国外欧美等国家经历了工业革命，加上悬索桥计算理论的初步形成，使悬索桥得到迅速的发展。
由于缺乏对空气动力学的研究，1940年，美国塔科马桥被风摧毁而倒塌。
此后十年，悬索桥的建设进入了停滞期。
在塔科马老桥风毁后，人们意识到悬索桥抗风设计的重要性，开始进行很多风洞试验以探索悬索桥抗风措施。
抗风研究阶段后，世界各国为了适应日益增长的交通量和经济发展，兴起了修建大跨径悬索桥的高峰。
我国在90年代后，国家加强基础建设水平，悬索桥的发展迅猛，东南沿海地区地区和长江内河等地修建了诸多大跨度的悬索桥，如今建设已经走在了世界的前列。
但悬索桥由于跨径的增大，刚度减小，柔性问题突出，承受风荷载的能力逐渐减小，极易被风摧毁。
悬索桥的风毁破坏属于脆性破坏，破坏前是难以预测和预警。
因此，深入了解桥梁与风作用后效应，进行科学合理的抗风设计，采取有效的抗风措施提高桥梁的抗风能力，对于悬索桥的建设和发展具有十分积极的现实意义。
2 大跨度悬索桥风致振动形式风是指空气由于太阳加热不均匀而引起的流动，具有一定的速度与方向。
山区大跨度窄梁悬索桥静风稳定及抖振性能研究
山区大跨度窄梁悬索桥静风稳定及抖振性能研究
郑宇欣;余传锦;刘多特
【期刊名称】《世界桥梁》
【年(卷),期】2024(52)2
【摘要】某山区钢-混组合窄梁悬索桥采用水平导流板对其颤振、驰振性能进行了优化,为了解该桥各类风致静、动力效应,以确保施工安全性和行车安全性,进一步研究优化后加劲梁在平均风作用下的静风稳定性和在脉动风作用下的抖振性能。
基于全桥有限元模型结构自振特性分析结果及节段模型风洞试验测得的加劲梁断面静风三分力系数和颤振导数,采用三维非线性数值模拟方法对优化前、后加劲梁的静风临界发散风速进行求解,并与基于小变形假定的二维线性理论分析方法计算结果进行对比;采用抖振响应频域分析方法,结合规范中的桥址区风场特性,计算脉动风作用下的加劲梁抖振位移及内力。
结果表明:该桥设置水平导流板前、后,加劲梁静风稳定性均满足规范要求且性能良好;设置水平导流板后,加劲梁扭转方向抖振位移有一定程度增大,同时,加劲梁竖向剪力最大值出现位置发生改变,跨中断面扭矩显著增大,该气动措施对抖振性能的提升较为有限。
【总页数】7页(P81-87)
【作者】郑宇欣;余传锦;刘多特
【作者单位】四川省交通勘察设计研究院有限公司;西南交通大学桥梁工程系;成都大学建筑与土木工程学院
【正文语种】中文
【中图分类】U448.25;U441.3
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大跨度铁路桥梁车桥动力响应理论分析及试验研究
大跨度铁路桥梁车桥动力响应理论分析及试验研究摘要：随着科学技术的发展，以及施工改造技术的进步和先进材料的应用，使得铁路桥梁的发展日趋先进化和现代化。
大跨度铁路桥梁的应用也越来越广泛，这也导致与其相关的车桥动力响应理论也迫切需要得到应用和改进。
与此同时，与大跨度铁路桥梁相关的风致振动问题也亟待相关研究者的解决。
本文则从大溪沟车站桥出发，系统的分析了其桥梁动力响应理论，并以其试验研究结果为据，提出了相关的改进和提升建议，希望能给相关研究者以启迪和建议。
关键词：现代施工技术空间理念大溪沟车站桥舒适合理重庆市位于中国西南部地区，地势较高，因此重庆市的轨道交通方式主要为北至重庆江北国际机场，横跨重庆主城6区以及长江、嘉陵江两江的跨座式单轨交通,多数线路高架,其中还有数座车站高架。
跨座式单轨道交通通的车辆是跨骑于轨道梁上行驶，车辆上部乘坐乘客的厢体与一般轨道交通的车辆构造基本相同，只是车辆根据客运要求选定的尺度大小有些区别。
由于车辆采用充气橡胶车轮，制约了其承载力，所以在此关键点上，应该尽量减轻其车体重量，故一般的车站桥梁都采用铝合金结构进行焊接。
而此外，由于该桥梁为车站桥，所以其动力性能以及车辆途径该桥梁时车上人员的舒适性,是设计时应考虑的两大关键点。
所以，本文着重选择了重庆快速轨道交通二号线的大溪沟车站桥进行动力性能分析和响应理论分析及研究。
一、有关大溪沟车站桥的相关结构介绍大溪沟站的结构为高架车站，主要由2条股道和2座侧式站台构成。
大溪沟车站桥的布局则是由3个T形墩柱、8个门形墩柱、站台、跨轨道天桥、楼梯和轨道梁组成。
同时，其站厅的跨径为6×10m ，故全长为60m。
与此相关的轨道梁则有10跨，其相应的轨道梁有10跨径由4×10m+2×20m+4×10m组成,故轨道梁全长为120m。
除此之外，该站厅采用空间格局的方式进行隔离，利用相关轨道的交错达到空间隔离的效果。
大跨度悬索桥的动力特性分析研究
278理论研究0 引言 1940年，塔科马桥的风毁事故震惊了桥梁工程界。
纵观桥梁发展历史发现，桥梁风毁案列也远不止这一个。
早在1879年，英国的Tay 大桥由于暴风雨的袭击而垮塌，造成了75人死亡的惨剧。
自1918年到1940年，短短二十几年的时间内，就约有11座桥梁因风而发生损坏[1]。
塔科马桥风毁事故后，世界的桥梁工程师们纷纷开始关注桥梁在风作用下的稳定性研究。
悬索桥由于其跨越能力大、柔度大等特点自身特点，使得它的抗风性能研究尤为重要，因此，悬索桥的动力特性分析也成为桥梁抗风设计的关键问题。
桥梁结构的动力特性包括自振频率和振型等，它反映了桥梁结构的刚度和刚度分布的合理性，是桥梁结构振动响应分析、抗风稳定性研究和抗震设计的基础。
1 动力特性分析有限元原理 运用软件进行悬索桥结构动力特性分析的实质是有限元法。
其基本原理是将连续的空间对象离散为若干个规则的单元，这些单元之间通过共同节点相连接，由于单元形状规则，便于建立平衡关系。
单元内部的待求量可以由单元节点量通过选定的函数关系插值得到。
最后将各单元方程组成方程组，再加上给定的边界条件，便可以求解。
2 动力特性的有限元计算 动力特性的有限元计算以坝陵河大桥为例，该桥为主跨1088米的单跨钢桁加劲梁悬索桥。
跨径布置为：48m+1088m+228m，桥梁全长2237米。
2.1 模型简化 悬索桥加劲梁常用的简化模式有脊梁模式（鱼骨刺模式），∏形模式，双主梁模式，三主梁模式。
这些模式都有各自的优缺点，而脊梁模式的简化方法多被悬索桥梁所采用。
本次分析也采用脊梁模式，它把桥面系的竖向刚度、横向刚度、扭转刚度及平动质量、转动惯量都集中在中间节点上。
2.2 单元的选择 根据各个构件的受力形式不同而采用不同的单元类型。
加劲梁与桥塔采用Beam4单元，Beam4是一种可用于承受拉、压、弯、扭的单轴受力单元，每个节点有六个自由度。
主缆与吊杆因不承受弯矩而采用Link8单元，Link8为三维空间承受单轴拉力-压力，每个节点有X，Y，Z 位移方向的三个自由度。
人行悬索桥颤振性能风洞试验及气动稳定措施
［关键词］公路养护 ；沥青路面 ；预防性养护技术 ［中图分类号］TU 74 ；U 416.217 ［文献标志码］B ［文章编号］1001–523X（2021）11–0118–02
Preventive Maintenance Technology of Asphalt Pavement
［Keywords］highway maintenance ；asphalt pavement ；preventive maintenance technology
目前，很多工程企业过于关注前期的建设施工，缺乏对 后续养护管理的重视，使公路工程在投入使用后难以在正常
收稿日期 ：2021–03–06 作者简介 ：马 俊祥（1984—），男，甘肃金塔人，工程师，主要研究方向
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图4 不同气动稳定措施方案在–3°风攻角下的扭转位移对比
3 结束语 基于某大跨度人行悬索桥进行了颤振稳定性风洞试验研
究，结果表明，板式加劲梁人行悬索桥的颤振临界风速较低， 即使采用下拉抗风索方案也需要在设计中特别关注。初始设 计方案的颤振临界风速低于检验风速，不满足设计要求，通 过在梁底设置下中央稳定板方案可有效改善主桥的颤振稳定 性，使最不利状态的颤振临界风速提高 1 倍以上，可使设计方 案满足颤振稳定性检验的要求。
某人行悬索桥抗风性能初步研究
建设标准化/C o n s t r u c t i o n S t a n d a r d i z a t i o n38（中南林业科技大学 土木工程学院，湖南 长沙 410004）摘要：为更好地抵御风荷载，文章基于Midas软件建立了某人行悬索桥的有限元模型。
研究表明：抗风缆能有效地限制人行悬索桥的侧向位移，显著提高桥梁各关键振型的频率。
关键词：人行悬索桥；抗风；动力特性某人行悬索桥抗风性能初步研究谢 娟随着旅游业的蓬勃发展，人行悬索桥广泛应用于各大景区，例如张家界玻璃桥、天蒙人行悬索桥等。
随着跨度增加、宽度变窄，桥梁抗风性能成为设计中的首要问题，已建工程中常设置抗风缆来抵抗风荷载。
靳帮虎研究了不同风速下施加抗风缆对结构位移与扭转角度的影响；方治华等进行了抗风缆对大跨度悬索桥抗风静力效果研究；魏志刚等研究了抗风缆对大跨度悬索桥颤振控制的有效性；何晗欣等分析了抗风缆对大跨度悬索桥动力特性的影响。
本文以某人行悬索桥为例，采用Midas软件对人行悬索桥抗风性能进行初步研究。
图1 某人行悬索桥结构布置图1 工程背景某人行悬索桥是一座双塔单跨人行悬索桥。
主跨195 m，桥宽2.5m（如图1所示）。
主缆矢跨比1/12，吊杆水平间距2 m。
主缆由7根直径为46 mm（6X19+IWR）的钢芯钢丝绳组成，锚碇采用重力式锚，加劲梁为纵横梁形式，桥面铺设钢化夹胶玻璃，桥塔为钢筋混凝土结构，基础采用刚性扩大基础。
2 动力计算模型本文采用midas civil软件建模（如图2所示）。
其中，主缆、吊杆、抗风主索、抗风拉索采用只受拉单元模拟；加劲梁与桥塔采用梁单元模拟。
桥塔根部和主缆锚碇处采用完全固结；桥塔顶端与主缆采用刚性连接；加劲梁端部释放顺桥向平动、绕横桥向转动。
利用特征值分析中的Lanczos法进行模态分析，得到主梁成桥状态下的结构动力特性见表1所示。
（1） 基本结构 （2） 基本结构+抗风缆图2 有限元模型表1 未设抗风缆方案结构前12阶自振特性阶次频率/ HZ振型描述10.1461一阶正对称侧弯20.2136一阶反对称竖弯30.2452一阶反对称侧弯40.2975一阶反对称竖弯50.3367二阶正对称侧弯60.3413一阶正对称竖弯70.3460一阶反对称扭转80.4296二阶反对称侧弯90.4331一阶正对称扭转100.4656一阶正对称竖弯110.5215三阶正对称侧弯120.5472二阶反对称竖弯3 人行悬索桥抗风初步分析3.1 基本风速根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01-2018），长沙市100年重现期的基本风速值为U10=28.2m/s。
大跨度悬索桥吊索减振技术研究与应用
大跨度悬索桥吊索减振技术研究与应用作者：陈政清雷旭华旭刚李寿英颜永先温青牛华伟来源：《湖南大学学报·自然科学版》2016年第01期摘要：针对大跨度悬索桥吊索频率低、阻尼小、以致容易发生风振的弱点，以舟山西堠门大桥的长细吊索风振问题为工程背景，研究了其抗风减振方法.首先通过环境激励法确定了吊索的动力特性.然后基于理论分析和风洞试验确定了分隔器减振方案，并对不同分隔器数量时的减振效果进行了对比研究.最后通过某大风天气下有无分隔器的两组吊索的实测数据结果对比验证了分隔器减振方案的有效性.试验和实测结果表明：安装分隔器后吊索的碰索现象不再发生，吊索的各阶振动均明显减小，各阶减振率达55%～95%.关键词：大跨度悬索桥；吊索；风致影响；分隔器；完全气弹模型；现场实测中图分类号：U441.3 文献标识码：AAbstract：The hanger cables of longspan suspension bridges are susceptible to windinduced vibration as they have low natural frequencies and low mechanical damping. In this paper， the windinduced vibration problem of the hanger cables of Xihoumen Bridge was investigated to research the vibration control method. Firstly， the dynamic characteristics of the hanger cables were obtained by environmental incentive method. Then， the scheme of installing spacers was determined by theoretical analysis and wind tunnel experiments， in addition， the influence of the number of spacers on vibrationreduction efficiency was investigated in the experiments. Finally， according to the field test of the windinduced vibration of two hanger cables with and without spacer respectively conducted in strong wind weather， the results indicates that after installation of the spacers， the collision phenomenon between the strands is eliminated. Moreover， the vibration of different modes of the hanger cable is significantly reduced by 55%～95%.Key words： longspan suspension bridge； hanger cable； wind effects； spacer； full aeroelastic model； field tests随着大跨度悬索桥的兴建，其细长吊索的风致振动问题已成为决定其使用寿命和行车安全的关键性问题，特别是在沿海或山区峡谷地区大风下的多索股吊索振动将会引起邻近索股之间的碰撞和桥面振动，极大地影响桥梁安全.对于诸如吊索之类的细长构件风致振动控制的问题，国内外学者已有大量研究，目前主要有气动措施、结构措施和机械阻尼措施3大类控制方法[1-2].气动措施适用于已知振动机理的单因素吊（拉）索振动控制，譬如预防拉索风雨振时在索表面打凹坑以及缠绕螺旋线方式等[3]，但对于不清楚振动机理和多因素耦合下的风致振动效果并不明显.机械阻尼措施是通过给阻尼很小的吊（拉）索结构附加阻尼来提高其抗风稳定性，包括附加减振锤[4]、调谐质量阻尼器[5]、以及各类固态和液态阻尼装置[6-7]等，机械阻尼装置调试比较复杂，难以维护，特别是对于多模态耦合下的结构振动其设计参数难以确定，效果不理想，而且对于长吊（拉）索结构，安装位置的限制也极大地影响了其减振效果，另外对于起振负阻尼较大的柔细结构，其延时效应明显.结构措施主要通过提高结构频率和刚度使其起振风速增大、振动响应减小，目前常用的是在吊（拉）索中添加辅助索[8-9]和分隔器[10]，虽然其施工方便，但影响工程美观.本文所述的西堠门大桥吊索风致振动机理复杂，无法采用气动措施减振，另外吊索起振负阻尼很大，并且受安装高度和施工条件限制难以采用机械阻尼措施，依据参考文献[10-11]，决定采用加装分隔器的减振方案，依据气弹模型试验初步确定尾流驰振附加抖振是其大幅风振的原因之一，通过其临界风速公式和试验结果设计了吊索的分隔器安装方案，最后由试验和实测数据验证了方案的有效性.1工程背景西堠门大桥作为浙江省舟山大陆连岛工程的重要组成部分，为中国第一、世界第二跨度的钢箱梁悬索桥.大桥是两跨连续悬索桥，主跨1 650 m，主缆矢高为165 m，边跨578 m，吊点间距为18 m.大桥吊索采用四根索股一组的骑跨式，螺旋线式截面外形，靠近桥塔的最长吊索达到169 m，其单根索股截面直径仅为88 mm，而其邻近的2#和28#吊索长度和直径分别为160 m和88 mm，而其单根索股所受应力仅为最长吊索的一半，恒载索力不到其最小破断拉力的10%.如此长细轻柔的吊索使得其风致振动问题十分严重，而且由于各索股的纵横桥向间距仅分别为300 mm和600 mm，使得各索股的单独振动会引起相互碰撞，极大地影响使用寿命与行车安全.所以采取合适的抗风减振措施来解决西堠门大桥细长吊索的大幅风致振动是目前急需解决的问题.本文以桥塔附近振动最为剧烈的对称布置的2#和28#吊索作为对象，研究其抗风减振方案，为后续此类工程问题提供参考.西堠门大桥的总体布置和骑跨式吊索形式如图1所示.通过现场实测得到的2#和28#吊索环境激励数据运用随机子空间法[12]分析了吊索振动最为剧烈的前5阶频率和模态阻尼比.运用通用有限元软件ANSYS分析得到了其模态振型.利用随机子空间法得到的吊索的前5阶频率稳定图如图2所示.频率分析结果见图2，吊索前5阶动力特性结果见表1.2分隔器减振原理对于长细轻柔的多索股结构，其风致振动形式主要表现为索股间互相碰撞（相对运动）与索股的同步运动，分隔器绑连作用会将索股的运动分解为索股同步运动和索段相对运动（如图3所示）.假设加装n个分隔器，吊索的前n阶模态与n+i（i=2，4，6，…）阶模态为4根索股的整体运动，第n+j（j=1，3，5，…）阶模态则可能为索股间相对运动或同步运动.那么索股之间的前n阶模态与n+i（i=2，4，6，…）阶模态引起的相对运动即可因分隔器的绑连作用而消除，而第n+j（j=1，3，5，…）阶模态造成的相对运动振动频率相应提高、刚度加大，在同样的激励条件下其振动响应也会减小，有利于防止吊索相碰.同步运动则会平均分配给各索股，表现为各索股的整体运动，其相当于增加了单索股的模态刚度和模态参与质量，可以有效减小某根索股的过大振动响应.另外分隔器的绑连作用减小了索股相互运动引起的气流扰动，减轻了由此引起的振动.3吊索减振措施试验研究3.1气弹模型的制作与相似关系拟定为研究吊索的风致振动形态以及分隔器个数对吊索减振效果的差异，制作了缩尺比为1∶36的吊索完全气弹模型，用钢丝作为内芯，由铜丝和铝丝缠绕内芯构成外衣（模拟气动外形但不提供刚度），安装方式为4根吊索按实际的布置方式依据缩尺关系布置（A#索和B#索连线为横桥向，B#索和C#索连线为顺桥向），如图4.从而研究一个吊点4根索股的风致振动现象.试验风洞为湖南大学HD2风洞第二试验段，模型试验区横截面宽5.5 m，高4.6 m，试验段最大风速接近15 m/s，风洞中的吊索布置如图4所示.3.2试验索的动力特性试验前通过对吊索施加初始激励测定了各阶频率和1～3阶模态阻尼比，频率结果和各阶模态自由衰减曲线如图5所示，结果表明模态阻尼比均为0.3%～0.5%之间，其值和模型目标值基本一致.3.3吊索振动形态判别对于索类构件，风振形式有涡振、抖振、参数共振与线性内共振、尾流驰振与驰振等，本文的气弹模型采用两端固结的形式，不存在参数共振与线性内共振，由模型吊索的振动响应与风速的关系可知，吊索不存在明显的涡振区间，而且4根吊索相隔距离较近，相互干扰较大，故涡振也不是吊索大幅振动的原因，对于横截面形式接近圆形的吊索而言也不会发生经典驰振.试验发现在风速达到某一值时，处于来流下游侧的吊索会先发生椭圆轨迹运动，振动随风速的加大而逐步加大，最后变得杂乱无章，4根吊索均发生大幅振动和碰索，吊索索股在高试验风速下的典型运动轨迹如图6所示.西堠门大桥横桥向中心距与吊索直径之比为L/D=6.8，顺桥向中心距与吊索直径之比为L/D=3.4，均处于尾流影响区[14].另外试验风速段紊流度为8%左右，可能发生抖振，结合两种风振机理计算分析后认为尾流驰振主导作用下附加抖振是吊索大幅振动和碰索的关键原因.攻角调整试验结果表明15°风攻角时索振动最为剧烈，故下文均以此攻角进行减振方案研究.3.4分隔器的设计与减振效果对比通过上节的分析决定按照尾流驰振临界风速计算方法[1，15]作为依据来设计吊索分隔器的数量，依据风速观测资料决定尾流驰振检验风速为Ucr=35 m/s（索跨中风速），按气弹模型相似比换算至试验风速为13.5 m/s.尾流驰振临界风速公式为：Uwc=cfkDSc=cfkDmξ/ρD2 （1）式中：Uwc为尾流驰振临界风速；D为圆柱体直径；fk为模态频率，ξ为模态阻尼比；Sc 为Scruton数，Sc=mξ/ρD2；m为圆柱体单位长度质量；ρ为空气密度.c为常数，当双圆柱体中心距为2～6倍圆柱体直径时，取c=25；当中心距为10～20倍圆柱体直径时，取c=80；对于本文的四索布置，按照不同分隔器下的索段起振风速拟合得到.通过得到的c值依据式（1）可以计算吊索在检验风速下不发生尾流驰振的最低频率值，结合吊索频率计算式（2）即可得所需均匀安装的使吊索不相互碰撞的最少分隔器数量.fk=n2T/4 ml2=（n/2 l）T/ρsA（2）式中：n为频率阶次；T为恒载索力；A为截面积；l为吊索长度；ρs为索材料密度；其余符号意义同前.最后可得分隔器安装数量计算公式为：N=Ucr/Uwc-1 （3）式中：N为所需分隔器数量.常数c值的拟合结果如表3所示.2#与28#吊索分隔器安装建议见表4，其余吊索可按照类似方法计算.不同分隔器数量下的吊索气弹模型在各试验风速区间的振动时程如图7所示.通过对吊索振动状态进行频谱分析（如图8所示），可知不装分隔器时前5阶均有发生，当分别装有1个和3个分隔器时，吊索几乎分别只发生2阶和4阶振动，装4个分隔器时，前5阶振动也有发生，但振动能量比不装分隔器与只装1个和3个分隔器时大大降低.图9和图10统计了不同分隔器数量时各振动阶次的C#索股模型测点处顺横桥向振动加速度均方根与试验风速的关系，其中各阶振动响应运用带通椭圆数字滤波器以窄带方式提取，下文类同.由图可知加装4个分隔器后各阶的振动响应均明显减小，将最大试验风速下的响应进行对比后发现其1至5阶横桥向振动相比未装分隔器时的减小率分别为94.1%，90%，90.5%，90%与82.2%，顺桥向振动减小率分别为65.8%，81.2%，86.4%，84.8与81.2%，而且从试验现象观测到加装4个分隔器后碰索现象消除，整体位移明显减小.值得注意的是当只安装1个和3个分隔器时部分高阶振动有增大趋势，事实上从试验现象也观测到高阶运动引起的碰索.其余索股的不同分隔器数下的振动响应变化规律与C#索股基本一致，试验结果表明2#和28#索需至少安装4个分隔器.4减振措施实测验证4.1现场监测系统简介为了验证分隔器减振效果的有效性，作者通过安装于现场的吊索振动监控系统获取了2014年7月24日的一次大风天气下的吊索处的风速数据和吊索的振动加速度信号.通过安装有分隔器的28#吊索和未安装分隔器的2#吊索的实测信号对比，可以准确得到分隔器的减振效果.现场监控系统布置如图11（a）所示，风速测试采用螺旋桨式二维杨氏风速仪，采样频率1 Hz，安装高度为距桥面4 m的位置，风向规定如图11（b），吊索加速度测试采用941B型拾振器，采样频率为5～10 Hz，安装高度为距吊索底部14 m的位置.风速仪、加速度传感器和数据采集系统的现场照片如图12所示.4.2大风天气下实测数据分析通过某次大风天气下的观测数据，本文对关于桥塔对称的2#和28#吊索的观测数据进行了比较，28#吊索按试验方案沿吊索长度方向等间距安装了4个分隔器，而另一侧的2#吊索则未安装分隔器.图13给出了2014年7月24日全天的风向风速和加速度实测数据，并选取了用于数据研究的信号分析段.信号分析段的吊索振动典型频谱如图14所示.从频谱图中可知未安装分隔器的2#吊索，其1～5阶振动非常卓越，而加装分隔器的28#吊索无明显卓越频率，频谱分散凌乱，类似于白噪声，功率谱密度峰值相比2#吊索各索股明显减小，证明可造成大幅振动的前5阶振动能量大大降低.信号分析段对应时间的风向为300°左右，按照图11（b）对风向的规定，可知其为与横桥向成30°左右的风向角从西北方向吹向东南方，因此2B#索股与28C#索股在此风向角下属于同方位索股，另外由图给出的信号分析段对应的风速可知，2#和28#吊索位置对应的风速基本一致，故比较2B#索股与28C#索股的振动响应情况就能准确反应分隔器对吊索的减振效果.通过对信号分析段按1 min平均时距做加速度均方根统计，得到了相应加速度均方根随时间的变化如图15所示.从图中看出，安装分隔器后的28C#索股的振动响应明显要小于2B#索股的响应值，加装了4分隔器的28C#索股相比2B#索股其横桥向1至5阶振动响应均值分别减小了66.7%，60%，57.1%，60%与56.3%，根据现场观测录像2#索有明显碰索现象，而加装分隔器的28#索则未出现，从而验证了分隔器的良好的减振效果.5结论1）制作了西堠门大桥的骑跨式矩形排列吊索的完全气弹模型，对其气动外形进行了准确模拟，并且通过风洞试验再现了多索股吊索的大幅振动和碰索现象.2）依据试验结果初步确定尾流驰振附加抖振是吊索大幅振动和碰索的关键原因，但由于没有模拟吊索两端实际边界条件，尚无法确定是否存在参数振动和线性内共振，需进行后续研究.3）依据尾流驰振理论和吊索气弹模型试验结果拟合得到了尾流驰振临界风速公式中适用于西堠门桥吊索布置的常数c值，并设计了满足桥址处检验风速下不发生尾流驰振的需均匀安装的最少分隔器数量.4）最后通过吊索完全气弹模型试验得到的响应结果和现场实测数据验证了分隔器对吊索多索股减振的有效性，索股的各阶模态减振率达55%～95%，其成功应用可为类似工程提供参考.参考文献[1]陈政清.桥梁风工程[M].北京：人民交通出版社，2005：139-162.CHEN Zhengqing. 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14 9
人行悬索桥动力特性对比
表1
结构振
模型 Ñ : 原结构 模型 Ò : 原结构+ 抗风缆 模型 Ó : 原结构+ 抗风缆+ 栏杆
型特征 振型阶数 频率PHz 振型阶数 频率PHz 提高倍数 振型阶数 频率PHz 提高倍数
Research on dynamic characteristics and wind vibration response of a pedestrian large- span and slender suspension bridge Xiong Yaoqing, He Yunming, Wu Xiaobin
一阶 正对称 1 01 160 1 1 01326 5 21039
1
侧弯 反对称 5 01 421 9 6 01519 6 11232
6
01 309 5 01 505 7
11 931 11 198
一阶 正对称 7 01 493 5 4 01495 8 11005
4
01 485 7 01 984
竖弯 反对称 3 01 351 2 2 01407 4 11160
边界与约束条件为: 主梁横桥向、竖 向自由度与主 塔横梁为变位主从关系, 另四个方向自 由; 悬索桥的主 缆通过主索鞍 固定在 主塔 顶上, 成 桥后 不允许 发生相 对位移, 主缆与主塔顶建立主从关系; 悬 索桥的主缆在
图 2 悬索桥断面及立面局部图Pmm
两端锚碇处做固定处理; 两主塔基础为嵌 岩基础, 塔身 底部按固接处理。具体模型见图 3。
提高倍数
1
01333 5
21079
5
01514 5
11283
3
01495 8
11005
2
01458 6
11305
15
01854 6
01660
29
11371 8
11192
注: 表中提高倍数均为增加抗风措施后结构的频率与原结构的频率之比。
61 2s, 而润扬桥及江阴桥的都在 20s 左右 ) , 主要是由于 该桥的跨径较 小, 同时 抗风 缆的存 在也 发挥了 一定作 用; 2) 该桥的前几阶振型均以桥面系振 动为主, 扭转振 型出现较晚( 20 阶以 后) , 这也 是该类柔 性悬索 桥的特 点之一。分析结 果 可 与文 [ 4] , [ 5] 的 分析 结 果 印证。 图 4 为模型 Ô的几个关键振型图。
( China Southwest Architectural Design and Research Institute Co. , Ltd. , Chengdu 610081, China) Abstract: Based on a steel truss flexible suspension bridge in mountainous area, which has the main span of 199m and the widespan ratio of 1P132, the dynamic characteristics and nonlinear wind vibration response of the pedestrian large- span and slender suspension bridge were analyzed by ANSYS. The results indicate that the basic period of the bridge is shorter than that of general large highway suspension bridge obviously, and the wind fortification measures can change dynamic characteristic of the suspension bridge and can increase its wind resistance performance. Considering the wind characteristics of the bridge site, the wind load history was simulated with AR model by MATLAB program. Compared the nonlinear wind vibration response with and without fortification measures under horizontal and horizontal & vertical wind load, it shows that the wind resistance performance of the bridge is qualified when it comes to safety requirement. Keywords: large- span and slender suspension bridge; dynamic characteristic; wind characteristics of the bridge site; nonlinear wind vibration; wind fortification measures
由表 1 可知, 该悬索桥的动力特性 有如下特点: 1) 采用加抗风缆、栏杆、中 央扣 等三种 抗风 措施, 能 够改 变结构振型的排列顺序; 2) 三种抗风措施 中, 加抗风缆 对结构的动力特 性影 响最大, 能够 改变结 构的 关键振 型和频率, 尤其是结构的一阶正、反对称侧 弯振动频率 增加明显, 提高了结构的抗风稳定性, 加栏 杆对结构动 力特性的影响可以忽略, 加中央扣有一定 提高, 相比加 抗风缆来说增加不多。
第 40 卷 第 9 期
建筑结构
2010 年 9 月
大跨极窄人行悬索桥动力特性及风振响应研究
熊耀清, 何云明, 吴小宾
( 中国建筑西南设计研究院有限公司, 成都 610081)
[ 摘要] 以一个跨度 199m、宽跨比仅 1P132, 且地处峡谷的钢结 构柔性悬索 桥为工 程背景, 采用 ANSYS 有限 元软件 进行了大跨极窄人行悬索桥动力特性及非线性风振响应研究。结 果表明, 该类桥的 基本周期 较通常的大 型公路悬 索桥明显偏 短, 采用抗风缆的抗风措施能 够改变 结构振型 的排列 顺序和 改善结 构抗风 性能; 采用基 于线性 滤波法 的自回归( AR) 模型应用 MATLAB 模拟了考虑 桥址风 特性 的水平 及竖 向脉 动风时 程, 结果 表明满 足分 析与设 计需 求; 比较了水平及水平和竖向风工况下有 无抗风 措施时悬 索桥的 非线性 风振响 应, 结 果表明 结构抗 风性能 满足安 全要求。 [ 关键词] 大跨极窄悬索桥; 动力特性; 桥址风特性; 非线性风振; 抗风措施
2
01 420 2 11 196
一阶 正对称 23 11 292 7 31 11318 9 11020
31
11 321 8 11 022
扭转 反对称 21 11 149 9 28 11230 2 11069
26
11 196 9 11 040
模型 Ô: 原结构+ 抗风缆+ 栏杆+ 中央扣
振型阶数 频率PHz
某悬索桥地处低山丘陵地带, 山体呈 V 形走廊, 海 拔高度 650~ 700m, 桥体横跨东、西两岸, 桥面相对谷底 的垂直高度约为 100m。该 桥主要用 于连接 两岸, 桥型
1 48
布置如图 1 所示。采 用单 跨钢结 构柔 性悬 索桥 形式, 跨度 199m, 主缆 间 距 115m, 矢跨 比 1P1312, 宽 跨比 达 1P132, 吊杆间距 310m。主缆 为悬 索桥 主要 承重 结构, 两端固定于锚碇, 两岸桥塔为主缆提供中间 支承( 在塔 顶设置主索 鞍) 。加劲 梁及桥 面系 通过吊 杆悬 挂于主 缆上, 并在主塔 处设置 支座, 提供支 承, 抗风 缆通 过抗 风拉索与桥面横梁相连, 并组成一个与铅 垂面呈 30b夹 角的平面。主缆采用 2 根 7 <38 的平行钢丝 束索, 抗拉 强度1 770MPa; 吊杆采用圆钢 <40; 抗风缆采用 2 根 <44 的 钢丝 束索, 抗拉 强度1 770MPa。桥面 系包 括加 劲梁、 桥面铺装、栏杆等, 加劲梁为梁格体系, 由 纵、横梁及风 联钢构( 即桥面水平撑) 焊接而成, 纵、横梁 分别采用工 字钢 I14, I20, 材质 为 Q345; 桥面 铺 装 为 宽 300mm、厚 80mm 松木板条, 间缝 10mm, 木板采用锚栓 与桥面纵梁 连接, 栏杆采用 <50 钢 管, 间距 115m; 桥塔为钢 筋混凝
0 引言 大跨度、窄桥面悬索 桥造 价低廉、施工 方便, 在我
国西部山区应用较多。因其上部结构刚 度较小, 对风敏 感, 且 多 建 于 风 场 复 杂 的 峡 谷、山 口 等 特 殊 地 形 山 区[ 1] , 导致结构所承受的风荷载不同于常规结构, 从而 对抗风设计提 出了更 高的 要求。而 现有 的大跨 悬索桥 的风振响 应 分析 都是 基于 大 型公 路桥 梁[ 2, 3] , 现 行桥 梁设计规 范对 于 大跨 极窄 的人 行 悬索 桥 没有 相 关规 定。为给该类悬索桥的抗风设计及施工 提供基本数据, 以某景区的人 行悬索 桥为 工程背 景, 研 究了其 结构自 身的动力特性 及桥址 处山 区风特 性, 进 行了详 细的风 荷载静力及非 线性风 振响 应分析, 并比 较了采 用加抗 风缆、栏杆、中央扣等抗风措施后悬索桥的抗风性能。 1 工程概况
作者简介: 熊耀清, 博士, 高级工程师, Email : xyq729730@ 163. com。
图 1 悬索桥布置图Pm
土框架结构; 锚碇采 用重 力式锚。桥 面系 的断面 及加 劲梁立面布置如图 2 所示。 2 有限元建模