铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究.pdf

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铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究1 铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究2 铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究3 铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究4 铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究5 铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究6
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文章编号:10094539(2017)04006105·桥梁工程·收稿日期:20170216作者简介:邹岩(1986-),男,高级工程师,主要从事桥梁工程设计咨询工作。铁路大跨度钢桁梁加劲拱桥风致振动研究邹岩(中铁第五勘察设计院集团有限公司北京102600)摘要:桥梁风害是工程界非常关心的问题之一,桥梁应具有抵抗风力作用的能力。风对桥梁的作用不单纯是平均风的静力作用,特别对于大跨度桥梁,因其柔性较大,设计时还必须考虑涡振、弛振、颤振等空气动力效应。并且对于铁路这种极其重要的基础设施,风致振动会严重影响其安全性和平稳性。以广州铁路枢纽东北货车外绕线北太路大桥156m大跨度简支钢桁梁加劲拱为例,基于ANSYS动力特性分析与CFD数值风洞模拟,对其工字型吊杆风致振动进行了细致的研究,揭示了风对铁路桥梁结构的作用机理和特点,为指导和优化桥梁结构设计提供了可靠的保障,也可为类似工程项目提供参考。关键词:抗风涡振弛振颤振数值模拟中图分类号:U441+.3文献标识码:ADOI:10.3969/j.issn.1009-4539.2017.04.014ResearchontheWind-inducedVibrationofRailwayLongSpanSteelTrussBeamStiffenedArchBridgeZouYan(ChinaRailwayFifthSurveyandDesignInstituteGroupCo.Ltd.,Beijing102600,China)Abstract:Winddamageisoneofthemostconcernedproblemsintheengineeringcircle,andthebridgeshouldhavethea-bilitytoresistthewindaction.Thisactionimposedtothebridgeisnotonlyastaticactionofaveragewind,butalsotheaerodynamiceffectthatshouldbeconsideredinthedesign,suchasvortex-inducedvibration,galloping,flutterandsoon,especiallyforthelongspanbridgeasaresultofitslargeflexibility.Furthermore,withrespecttotherailwaywhichisdeemedasanextremelyimportantinfrastructure,thewind-inducedvibrationcouldseriouslyinfluenceitssafetyandstabili-ty.Focusingonthe156mlongspansimply-supportedsteeltrussbeamstiffenedarchoftheBeitailuBridgeinnortheastwag-onoutsidecircuitofGuangzhourailwayterminal,thisarticle,basedonANSYSdynamiccharacteristicanalysisandCFDnumericalwindtunnelsimulation,itcarriedoutadetailedresearchonwind-inducedvibrationofI-shapedsuspender,whichrevealingtheactionmechanismandcharacteristicofwindeffectingrailwaybridgestructure,providingareliableguaranteeforguidingandoptimizingthebridgestructuraldesign.Meanwhile,thiscouldalsobereferredbyothersimilarprojects.Keywords:windresistanceofvortex-inducedvibration;galloping;flutter;numericalsimulation1工程背景随着铁路桥梁跨度的不断增大,结构质量越来越轻、结构刚度越来越小、结构阻尼越来越低,从而导致了其对风致作用的敏感性越来越大了[1-2]。本文以新建广州铁路枢纽东北货车外绕线北太路大桥156m钢桁梁加劲拱为研究对象,通过CFD数值风洞模拟揭示了钢桁梁拱桥工字型吊杆的抗风性16铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·桥梁工程·能,为优化桥梁结构设计提供了重要保障。1.1工程概况北太路大桥跨越广州市北太路,全长236.8m,布置为1-32m简支T梁+1-156m钢桁梁拱+1-32m简支T梁。该桥主桥采用下承式钢桁梁柔性拱结构,计算跨度156m,长158m。钢桁梁采用N型两片桁,桁高16m,桁中心距13.2m,节间布置12×13m,拱高37m,拱圈的曲线半径为111.095m,拱圈杆件以直代曲,钢桁梁上下弦杆均采用焊接箱形截面,腹杆采用工字型截面,拱肋采用箱形截面,吊杆采用工字型截面,高度均为960mm。钢桁梁与拱圈节点均采用焊接整体形式,箱形截面杆件采用四面对拼连接,吊杆与节点采用插入式连接,主桁杆件、拱圈杆件与节点间采用高强螺栓连接。人行道设置于主桁内侧,人行道宽度为1.11m。钢桥面由桥面板、横梁横肋、轨下小纵梁、纵肋组成,其中钢桥面全桥纵、横向连续,钢桥面顶上铺设3.5mm防水层,挡砟墙焊接在钢桥面板上。1.2桥址区风特性桥址区风特性分析是进行风致响应分析的前提。通过桥址区风特性分析,可以确定大桥的设计风速标准。桥址处地貌属一级阶梯地区,地势平坦、开阔,多为居民区,耕地。根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004)[3],结合桥址区的地形地貌特点,桥址区的地表粗糙度取为B类,地表粗糙度影响系数α可取为0.16。通常假定大气边界层内风速沿竖直高度的分布服从幂指数规律[4],故桥址区风速剖面可由下式确定:VZV10(=Z)10α式中,VZ为高度Z处的风速(m/s);V10为桥址区的基本风速(m/s)。广州市基本风速为31.3m/s,取桥址区基本风速(10m高度处100年一遇的10min平均年最大风速)为31.3m/s,即V10=31.3m/s。最长吊杆中心距路面的高度为31.5m,根据规范,安装B类地表条件取高度修正因子K1=1.199,则吊杆中心处的设计基准风速为:Vd=K1V10=1.199×31.3=37.5m/s根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004),广州市10m高度处10年一遇、50年一遇平均风速分别为22.1m/s、28.6m/s。取高度修正因子K1=1.199,则最长吊杆中心位置10年一遇、50年一遇的10min平均风速分别为26.5m/s、34.3m/s。由《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004),颤振检验风速为:[Vcr]=1.2μfVd式中,1.2为综合安全系数,μf为考虑风的脉动特性以及空间相关特性影响的修正系数,根据该桥跨度和地表粗糙度类别应取为1.34。所以吊杆的颤振检验风速为:[Vcr]=KμfVd=1.2×1.34×37.5=60.3m/s根据规范,弛振检验风速为:[Vcg]=1.2Vd=1.2×37.5=45.0m/s2动力特性分析在风荷载作用下,桥梁结构会在横向、竖向、纵向及扭转等方向发生静力变形与动力响应[56],因此须建立能反映结构动力效应的三维空间杆系有限元模型。本研究中采用ANSYS有限元软件对北太路特大桥的动力特性进行了计算分析。2.1结构有限元模型在有限元建模中,纵梁、横梁、桁架杆件、构成拱的主桁各杆件及吊杆采用空间梁单元,其弹性模量取为2.06×105MPa,泊松比采用0.3,密度7850×1.14kg/m3。对于变截面杆件均采用单元中央截面的几何特性。ANSYS有限元模型见图1。图1吊杆局部有限元模型2.2吊杆动力特性本部分针对各吊杆进行了实桥参与下的动力26铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·桥梁工程·特性分析。计算结果列于表1。可以看出,考虑实桥参与情况下吊杆的振动频率更加接近单根吊杆两端固接状态下的振动频率。表1吊杆弯曲动力特性计算结果吊杆位置跨中吊杆(1/2)次长吊杆(5/12)较短吊杆(1/3)端吊杆(1/4)弯曲基频/Hz6.5227.0227.20511.476吊杆的颤振性能分析需要吊杆的扭转频率,对各吊杆两端分别采用固接约束,计算其扭转动力特性。吊杆扭转基频计算结果列于表2。表2吊杆扭转动力特性计算结果吊杆位置跨中吊杆(1/2)次长吊杆(5/12)较短吊杆(1/3)端吊杆(1/4)扭转基频/Hz70.75573.46682.995120.8473CFD数值风洞模拟与分析模型CFD数值风洞采用通计算流体力学软件FLUENT进行。FLUENT软件以有效体积法为基础,在整个计算求解区域内将流体运动控制方法进行离散化求解[7]。本模拟中忽略流体运动中的能量变化,采用如下的二维空间不可压缩流体控制方程进行求解:aUiaxi=0dUidt=-1ρapaxi+υΔ2Ui式中,i为坐标分量标号,在二维空间内i=1,2;xi为直接坐标分量;Ui为流速沿xi坐标的分量;p为压力;ρ为空气密度;υ为空气运动黏性系数。在数值风洞模拟中,采用雷诺平均数值模拟的方法考虑湍流。在实际工程应用中,对湍流的研究侧重于流动平均量的考察,主要研究湍流对分析对象的平均作用效果,在计算工作量合适的情况下,采用RANS数值模拟[8]可以获得满足工程实用要求的结果。以流体的时间平均运动为侧重点,从雷诺时均方程出发,研究流场内的平均特征量,如平均速度场、平均标量场和平均作用力。雷诺时均方程如下式:aUiaxi=0aUiat+UjaUiaxj=-1ρaˉpaxi+υΔ2Ui-aaxj(uiuj)式中上横线表示时间平均值,-ρuiuj为雷诺应力项。需要引入数学模型对反映平均流与湍流能量交换的雷诺应力项进行封闭化简化处理。本计算分析中雷诺应力项选用对复杂边界层分离流模拟比较有效的SSTκ-ω湍流模型来模拟。因实际中长吊杆更为绕行,易发生风致振动。计算分析中选取跨中吊杆断面进行二维CFD计算分析,分析模型及网格划分如图2所示。左侧边界为计算入口,右侧边界为计算出口。设B为吊杆横桥向高度,计算入口距吊杆6B,计算出口距吊杆15B,上下边界距离吊杆6B,通过调整吊杆断面的角度来实现0到90°的来流风向角。计算入口采用风速入口条件,可以指定不同的风速大小。计算出口及上下边界采用压力出口条件。吊杆附近流动复杂,网格密集,总网格数量5万。图2CFD分析模型网格划分4静力气动力分析静风荷载通常用体轴坐标系和风轴坐标系表示。体轴坐标系下,作用在单位长度上的静力风荷载可表示为:横桥向风荷载(阻力)FH=12ρU2CH(α0)B竖向风荷载(升力)FV=12ρU2CV(α0)B扭转风荷载(力矩)FM=12ρU2CM(α0)B2式中,ρ为空气密度;U为来流平均风速;CH(α0),CV(α0),CM(α0)为体轴系下攻角为α0时(对于吊杆,为风向角)的三分力系数;B为吊杆的横桥向高度。36铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·桥梁工程·风轴坐标系下,作用在单位长度上的静力风荷载仍可采用上式表达,但三分力系数必须采用风轴系下的三分力系数。通过CFD数值风洞进行定常分析,进行不同风向角下的吊杆绕流流场及气动力的模拟。以0风向角为示意,流场速度分布如图3所示。计算得到吊杆三分力系数曲线如图4、5所示。从三分力系数结果中可以看出,部分风向角下升力系数出现负斜率,有发生弛振的可能。图3计算流场示意图4静力三分力系数(体轴系)图5静力三分力系数(风轴系)5空气动力学分析5.1涡振性能分析当气流绕过物体时在物体两侧及尾流中会产生周期性脱落的漩涡,这种周期性的激励会使物体发生限幅振动。这种振动称为涡激振动[9],它通常发生在较低的风速下。通常由无量纲Strouhal数[10]来表示漩涡脱离的频率:St=fBU式中,f为漩涡脱落频率,U为来流风速。B为特征尺寸,取为吊杆横桥向高度。漩涡周期性脱落导致物体在垂直于来流方向的气动力(升力)出现周期性波动,波动频率与漩涡脱落频率一致[11]。通过非定常计算,获得作用在吊杆断面的气动升力系数的时程曲线。通过气动升力系数时程曲线进行频谱分析获得其卓越频率,从而获得漩涡脱落的频率f。经过0~90°风向角间隔为5°的非定常分析,获得漩涡脱落频率与Strouhal数如表3所示,可知小风向角(0~25°)下St数较大。表30~90°风向角下吊杆St数风向角/(°)01020304045f/Hz2.6913.3242.7652.2981.9882.588St数0.1720.2130.1770.1470.1270.166风向角/(°)5060708090f/Hz2.2622.0372.0602.2362.012St数0.1450.1300.1320.1430.129当漩涡脱落频率与吊杆自振频率一致时易发生涡振,其涡振风速为:Vυ=fnBSt由吊杆动力特性计算结果,可得出不同连接形式下吊杆涡振风速。小风向角下涡振风速较低,吊杆顺桥向涡振风速较横桥向低,铰接形式吊杆涡振风速低于固接形式,吊杆越长涡振风速越低。铰接形式最长吊杆最低涡振风速在10°风向角下发生,为13.3m/s。固接形式最长吊杆最低涡振风速在10°风向角下发生,为30.2m/s。考虑实桥参与下最长吊杆最低涡振风速在10°风向角下发生,为29.3m/s。根据公路规范,13.3m/s、30.2m/s、29.3m/s风速重现期分别为0.14年、7.10年、5.32年。5.2弛振性能分析吊杆属于细长构件,在气体自激作用下可能会发生弛振。弛振是一类发散性振动,对结构危害较大[12]。弛振通常由弛振力系数来判断,弛振力系数为:46铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·桥梁工程·dCLdα+CD当弛振力系数小于0时,可能出现弛振。由静力气动系数结果,不同风向角下吊杆弛振力系数如图6所示。图6弛振力系数由结果可知,在0°,5°,35°,45°,55°,75°,85°,90°风向角下有可能发生弛振。由Hartog判据,弛振临界风速为:Vcr=-4mζωρB1dCLdα+CD取阻尼比ζ=0.5%,空气密度ρ=1.225kg/m3,可求得吊杆的弛振临界风速。以跨中吊杆为例,如表4所示。表4跨中吊杆弛振临界风速m/s风向角/(°)0545758590顺桥向固接74.750.5>20053.8146.9>200铰接33.022.3>20023.764.8>200实桥参与72.849.2>20052.4143.2>200横桥向固接182.0123.0>200131.1>200>200铰接80.354.2>20057.8157.8>200实桥参与141.695.6>200101.9>200>200由表4可知,5°弛振临界风速最低,铰接弛振临界风速小于固结,实桥弛振临界风速介于固结与铰接之间。跨中吊杆(最长吊杆)铰接弛振临界风速最小值为22.3m/s,固结弛振临界风速最小值为50.5m/s,考虑实桥参与弛振临界风速为49.2m/s。5.3颤振性能分析长吊杆易发生扭转颤振,由考虑气动自激力作用下吊杆总阻尼为负判断是否发生颤振。结构阻尼为2ζω,气动阻尼为ρU2B2KBUA*2,其中K=ωB/U为折算频率,A*2为扭转运动引起的与力矩相关的颤振导数。总阻尼可表示为:2ζω-ρU2B2KBUA*2=ω(2ζ-ρB4A*2)由总阻尼ω(2ζ-ρB4A*2)<0,有A*2>2ζρB4。即当颤振导数A*2>2ζρB4时,发生颤振。A*2为折算风速U*=U/fB的函数,由颤振条件值A*2找到对应的折算风速U*。根据折算风速定义,有颤振临界风速V=fBU*。通过在数值风洞中实现吊杆截面的单自由度扭转强迫振动,获得自激力矩,根据最小二乘拟合即可得到颤振导数A*2。求得不同方向角下的A*2如图7~8所示。图7颤振导数A*2(0~20°)图8颤振导数A*2(75°~90°)取阻尼比ζ=0.5%,空气密度ρ=1.225kg/m3。吊杆扭转频率由前述动力特性分析求得。计算得到不同风向角下颤振临界风速,其中60°风向角下颤振临界风速最低。跨中吊杆(最长吊杆)最低颤振临界风速为117.6m/s,次长吊杆最低颤振临界风速为122.1m/s,较短吊杆最低颤振临界风速为137.9m/s。(下转第69页)56铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据·隧道/地下工程·5结束语通过跃龙门隧道施工,依托工程实体成功研发“”张拉式止水带安装施工技术,通过现场试验及应用效果,在施工成本、效率、质量三方面均优于传统“”的悬吊式安装技术,综合功效提升90%,得到了业主、设计单位和兄弟单位的充分肯定,可大大提高在隧道施工标准化和精细化施工方面的专业化。参考文献[1]唐生朝.高承压水条件下变形缝渗漏水治理施工技术[J].铁道建筑技术,2015(5):65-68.[2]张鹏,鄢本存.运营老旧铁路隧道病害检测与分析研究[J].铁道建筑技术,2015(12):74-77.[3]中铁二院工程集团有限公司.新建铁路成都至兰州线D2K100+994.5跃龙门隧道设计施工图(成兰施隧-3-4/88)[Z].成都:中铁二院工程集团有限公司,2012:1-13.[4]中铁二局集团有限公司.铁建[2010]241号高速铁路隧道工程施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2011:110-113.[5]中铁隧道集团有限公司.TZ331-2009铁路隧道防排水施工技术指南[S].北京:中国铁道出版社,2009:56-60.[6]中铁一局集团有限公司.TB10753-2010高速铁路隧道工程施工质量验收标准[S].北京:中国铁道出版社,2011:128-133.[7]陈尔凡,陈珂,马驰,等.橡胶止水带受力状态下的有限元分析[J].世界橡胶工业,2010(11):15-19.[8]刘文武,张志才.铁路隧道衬砌中埋式橡胶止水带安装工艺探讨[J].铁道建筑,2014(12):40-42.[9]杨晓鸣.中埋式橡胶止水带安装技术探讨[J].中国水运月刊,2012,12(11):262-263.[10]冀光华.高速铁路隧道中埋式橡胶止水带施工技术[J].城市建设理论研究:电子版,2012(33):63-69.[11]吕康成,吉哲,马超超.隧道施工缝背贴式止水带防水技术若干改进[J].现代隧道技术,2012(10):39-43.[12]翼夏芳,常宝.隧道衬砌施工缝止水带施工工艺探讨[J].现代隧道技术,2012(4):檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪170-173.(上接第65页)6结论本文基于ANSYS动力特性分析与CFD数值风洞模拟,对北太路大桥156m钢桁梁加劲拱工字型吊杆风致振动进行了研究,得到如下结论:该桥吊杆的颤振性能满足规范要求。考虑实桥参与情况吊杆弛振性能满足规范要求。考虑实桥参与情况下吊杆最低涡振风速为5.32年一遇,5年多出现一次,发生概率较低,应不会引起结构的疲劳破坏。因此,该桥在风致振动作用下强度基本安全可靠,采取适当的减振措施即可。参考文献[1]项海帆,葛耀君,朱乐东,等.现代桥梁抗风理论与实践[M].北京:中国交通出版社,2005:3-4.[2]项海帆,葛耀君.大跨度桥梁抗风技术挑战与基础研究[J].中国工程科学,2011,13(9):8-9.[3]中交公路规划设计院.JTG/TD60-01-2004公路桥梁抗风设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004:6-8.[4]陈政清,项海帆.现代桥梁抗风理论与实践[M].北京:中国交通出版社,2005:32-35.[5]苏国明,续宗宝,郑勤.双线铁路连续钢桁梁设计[J].铁道建筑技术,2006(5):14-15.[6]孙峰伟.大跨度钢-混凝土叠合梁斜拉桥结构静动力特性分析[J].铁道建筑技术,2016(4):1-2.[7]陈政清,项海帆.桥梁风工程[M].北京:人民交通出版社,2005:42-44.[8]陈艾荣,艾辉林.计算桥梁空气动力学[M].北京:人民交通出版社,2010:31-33.[9]张兆顺,崔桂香,许春晓.湍流大涡数值模拟的理论和应用[M].北京:清华大学出版社,2008:13-18.[10]曹海滨.大跨度混合梁斜拉桥抗风性能分析[J].铁道标准设计,2005(10):36-38.[11]周述华,廖海黎,郑史熊,等.丫鬓沙大桥主桥抗风性能研究[J].铁道标准设计,2001(6):1-2.[12]李永乐.风-车-桥系统非线性空间耦合振动研究[D].成都:西南交通大学,2004:26-29.96铁道建筑技术RAILWAYCONSTRUCTIONTECHNOLOGY2017(04)万方数据
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