大门大桥抗风分析报告
目录
概述
1．采用的规范及参考依据
2．设计基本风速、设计基准风速、主梁颤振检验风速的确定2．1 设计基本风速
2．2 主梁颤振检验风速
3．结构动力特性分析
3．1 计算图式
3．2 边界条件
3．3 动力特性分析
4．主梁抗风稳定性分析
4．1 桥梁颤振稳定性指数
4．2 主梁颤振临界风速的估算
4．3 结论
概述：
大门大桥推荐方案采用双塔双索面混凝土斜拉桥，跨度布置为135+316+ 135=586m，主跨主梁为 形断面，主塔为倒Y形索塔。在进行初步设计的过程中需要对主桥推荐方案的抗风、抗震性能进行分析。本报告对推荐方案的抗风稳定性进行分析。
分析的必要性
大桥在施工和运营期间，需满足12级以上台风、风速分别为33.3m/s和35.9m/s下的稳定性要求。由于缺乏桥区处风速观测资料，报告中设计风速采用的是《公路桥梁抗风设计规范》附表A中温州市的10m高设计基准风速。
由于桥址处无论是10m平均最大风速，还是瞬时最大风速均较大，而主桥推荐方案有“塔高、跨大”的特点，因此，主桥方案斜拉桥结构的抗风稳定性检算是必需的。
结论
利用ANSYS软件对推荐方案的相关环节进行相应分析，得出如下结论：
结构的抗风稳定性等级为Ⅰ级，成桥状态和施工状态的主梁的颤振临界风速大于主梁的颤振检验风速，满足抗风稳定性要求。
1．采用规范及参考依据
1.1 中华人民共和国交通部部标准《公路桥涵设计通用规范》（JTG D60-2004）1.2 中华人民共和国推荐性行业标准《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T
D60-01-2004）
1.3 中华人民共和国交通部部标准《公路斜拉桥设计规范》（试行）（JTJ027-96）2．设计基本风速、设计基准风速和主梁颤振检验风速的确定根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01-2004），查得温州地区距地
=33.8m/s。据《温州市大门大桥工面以上10米，频率为1/100平均最大风速V
10
程可行性研究报告》中4.3.7条桥梁抗风、抗震规定标准，大桥在施工和运营期间，需满足12级以上台风、风速分别为33.3m/s和35.9m/s下的稳定性要求。本报告中场地平均最大风速按后者取值。
桥址地表类别按A类考虑，桥面离水面高度为38.5m，根据《公路桥梁抗风设计规范》式3.2.5-1，计算得K
1
=1.38，由此，求得本桥运营阶段的设计基本
风速V
d =K1·V
10
=49.542m/s。
对于施工阶段，设计基准风速V
D
S=45.954m/s。
根据《公路桥梁抗风设计规范》第6.3.8条，主梁成桥状态颤振检验风速
[V
cr ]=1.2·μ
F
·V
d
=1.2×1.3068×49.542=77.69m/s。
主梁施工阶段颤振检验风速
[V s
cr ]= 1.2·μ
f
·V
D
S=1.2×1.3068×39.181=72.05m/s。
3．结构动力特性分析
3．1 计算图式
本方案的抗风稳定性分析中，梁、塔、墩采用梁单元建模，索采用单向受拉杆单元建模。
考虑到主梁为带实心边梁板式开口断面，其自由扭转刚度较小，若按照单脊梁（鱼骨式）模型，因为常规梁单元的限制，其不能考虑主梁约束扭转刚度的影响，因此在建模分析中常考虑作三主梁模型处理。而在ANSYS程序中提供考虑截面翘曲刚度的梁单元，通过建立单脊梁（鱼骨式）模型，能够准确计算结构的扭转频率，从而有效模拟斜拉桥开口截面主梁。
报告采用单脊梁模型，梁单元选用计入截面翘曲刚度的BEAM188单元。为比较动力特性分析结果，另采用梁格法建模分析，进行验证。见图1。
根据结构所处状态，建模包括4方面内容：本桥式方案成桥状态和施工独塔阶段、最大双伸臂阶段、最大单伸臂阶段。各计算图式如图1、2。
图1 成桥状态计算图式（单脊梁和梁格模型）
图2 最大双伸臂和独塔阶段计算图式
图3 最大单伸臂阶段计算图式
3．2 边界条件
本桥式方案的成桥状态和施工最大双、单伸臂阶段的边界条件见表3，
注：
1．表3中，△x、△y、△z分别表示沿横桥向、竖桥向、纵桥向的线位移，θx、θy、θ
z分别表示绕横桥向、竖桥向、纵桥向的转角位移，1—约束，0—放松。
2．施工最大双悬臂阶段主塔在承台顶处、塔梁交接处边界条件与施工最大单悬臂阶段相同。
3．3 结构动力特性分析
3.3.1 成桥状态
表4和表5分别给出单脊梁和梁格法建模成桥状态的振型特点，单脊梁模型其相应的振型图见图5。
从表4和表5可以看出，采用188单元的单脊梁和梁格法建模分析结果很接近，同时其扭转频率值相差不到3%。单脊梁模型分析结果满足要求。
从振型图来看，因为塔、梁分离，节点无顺桥向约束，主梁顺桥向刚度比较弱，一阶振型为纵飘振型，频率值较低。同时，主塔和斜拉索对主梁的扭转制约作用比较明显，主梁抗扭刚度较高，振型靠后，出现在第十阶，对结构抗风有利。
塔高自承台以上达148.3m，斜拉桥主跨为316m，但由于采用倒Y形，因而主塔的纵弯振型靠前，出现在第一阶。
尽管主塔较高，塔梁分离，板式主梁的抗扭刚度较小，但由于塔身形状以及双索面的布设，主梁仍具有较高的扭转自振频率和扭弯频率比，为主梁的抗风稳定性提供了可靠的保证。
第一阶模态
第二阶模态
第三阶模态
第四阶模态
第五阶模态
第六阶模态
第七阶模态
第八阶模态
第九阶模态
第十阶模态
图5 成桥状态前十阶模态
3.3.2 裸塔状态
独塔自立状态的振型特点见表6，其相应的振型图见图6。对结果分析可知，塔身较高，呈倒Y 形，塔身纵弯频率较低，而侧弯和扭转频率较高，说明裸塔自身的抗扭刚度较高。
第一阶模态
第二阶模态
第三阶模态
第四阶模态
图6 裸塔自立状态前五阶模态
3.3.3 最大双伸臂状态
施工最大双伸臂阶段的振型特点见表7，其相应的振型图见图7。从振型图来看，由于边跨合龙前主塔双侧最大伸臂长度仅为97.6m，结构的动力特性更依赖于主塔自身特性，最大双伸臂结构的低阶振型出现以主塔为主的振动，主梁扭转频率较高。主梁竖弯和扭转基频较为接近，需要进行弯扭耦合颤振检算。
第二阶模态
第四阶模态
第六阶模态
图7 施工最大双伸臂阶段前六阶模态
3.3.4 最大单伸臂状态
施工最大单伸臂阶段的振型特点见表8，其相应振型见图8。从振型图来看，在最大悬臂状态，由于塔梁固结，低阶振型出现塔梁纵弯和塔梁横弯的振型。而边墩纵飘振型在第九、十阶出现。最大伸臂达158m，主梁的抗扭刚度相对双伸臂明显偏小，扭转振型在第五阶出现。
第一阶模态
第三阶模态
第五阶模态
4．主梁抗风稳定性分析
4．1 桥梁抗风安全等级
根据《公路桥梁抗风设计规范》第6.3.1条，桥梁颤振安全等级按下式计算：
f I =
[]
cr t V f B
?，各工况下的颤振稳定性指数及分级见表9。 表9 颤振稳定性指数及分级
从表9可以看出，本桥成桥状态和施工最大单伸臂阶段的主梁颤振稳定性指数I f 值均小于2.5，抗风稳定性分级均为Ⅰ级，因此，可以得出本桥的成桥状态和施工最大单、双伸臂阶段的抗风安全是有充分保证的。
4．2 颤振临界风速的估算
对弯扭耦合颤振，其临界风速根据《公路桥梁抗风设计规范》的两个公式分别进行估算。
4．2．1 弯扭耦合颤振的Van der put 公式
V cr1=ηα·ηs [1+(ε-0.5)b r /72.0μ]·ωh ·b 式中：ηs 为主梁断面形状影响系数，取ηs =0.7； ηα为攻角效应系数，取ηα=1； b 为半桥宽，取b=17.75； r 为惯性半径，计算得2.75；
ε为扭弯频率比，成桥阶段：ε= f 10/ f 2=2.973；施工阶段：最大双伸臂ε= f 6/
f 4=1.271，最大单伸臂ε= f 5/ f 1=2.566。μ为梁体质量与空气的密度比，μ=m/(πρ
b 2)=43.7。m=53008kg/m ； ρ=1.225kg/m 3；ωh 为基阶竖弯自振圆频率，成桥阶段：ωh1=2πf 2=1.813；施工阶段：最大双伸臂ωh2=2πf 3=5.536，最大单伸臂ω
h3=2π
f 3=2.175。
成桥阶段：V cr1=145.5m/s>[V cr ]= 77.69m/s 。