象山港公路大桥风荷载分析

象山港公路大桥风荷载分析

0拉索气动措施的概念斜轴的横跨直径增加，牵引杆变得越来越长。由于高、低、低耐热性等特点，黎明的各种形式的牵引运动容易引起振动。因此，有必要有效地实施大倾角斜桥的振兴措施。气动措施是空气动力学措施的简称。将拉索表面压制成点状凹坑、缠绕螺旋线是常见的斜拉索制振气动措施,它可以干扰风雨中斜拉索表面上水线的形成并破坏气流的涡脱,从而达到抑制拉索风雨振动和其他形式风致振动的目的。拉索采取不同的气动措施,其受到的风荷载亦不同。笔者以浙江宁波象山港公路大桥为研究对象,分析作用于采用常见气动措施的斜拉索和光索受到的静风荷载的差异,并分别计算2种措施对桥梁结构响应的影响程度。1参数和风负荷操作模式的选择1.1风速色散(1)桥梁抗风设计基本公式将行车安全考虑的桥面封桥风速Vf=25m·s-1代入《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01-2004)(以下简称规范)相关公式推算得出斜拉桥各构件的低风速。(2)斜拉桥各构件高度处的风速将浙江宁波象山港公路大桥设计基本风速V10=46.5m·s-1代入规范相关公式推算得出斜拉桥各构件的高风速,桥面高度处的风速V=61m·s-1。1.2斜轴风阻系数d本文中计算时采用的斜拉索风阻系数由某大桥斜拉索的风洞测力试验得出。1.2.1试验测力验算试验选择3种表面形式的拉索(1种光索、9种不同螺距及螺旋线直径的螺旋线索、1种凹坑索),直径均为Φ139,在风洞均匀流场下,采用测力天平测量直立拉索的风荷载值,换算为风阻系数Cd,试验风速Vt=15～55m·s-1。(1)低风速风阻系数cd由桥面封桥风速Vf=25m·s-1推算的各拉索中点的换算风速与风速V=25m·s-1相差甚微,在风阻系数Cd与风速变化的曲线上难以反映风速不同时风阻系数Cd的变化,故低风速风阻系数Cd取为风速V=25m·s-1时的拉索风阻系数的试验值。(2)索中点高度处进行进行码力高风速拉索风阻系数本应按照拉索中点换算风速计算,但象山港公路大桥设计基本风速V10=46.5m·s-1,各拉索中点高度处换算风速均高于最高试验风速55m·s-1。由试验数据可以看出,各种形式拉索风阻系数在风速V>40m·s-1时变化甚微,可判断其已进入圆柱形断面的高超临界雷诺数区,风阻系数基本为一常数。因此本文中采用的高风速拉索风阻系数为试验风速Vt=55m·s-1时的拉索风阻系数。象山港公路大桥不同气动措施斜拉索横桥向风阻系数如表1所示。1.2.2试验值和拟合曲线的测量根据横桥向风荷载测力试验结果,选择3种表面形式的拉索(1种光索、2种不同螺距及螺旋线直径的螺旋线索、1种凹坑索),直径均为Φ139,在风洞均匀流场下,采用测力天平测量斜拉索的风荷载值,换算为风阻系数Cd,试验模拟了斜拉索的倾斜角α(来流方向指向拉索上升或下降方向时,规定α为负或正)及风偏角β,试验风速Vt=15～55m·s-1。比较试验拉索在各种倾斜角α下的风阻系数,由其最大的风阻系数作为该倾斜角的试验控制值后拟合的风阻系数Cd的表达式为式中:A为拉索的表面系数,由试验数据拟合而定。图1为低风速和高风速下光索、2种螺旋线索和凹坑索风阻系数的试验值及拟合曲线。表2为不同类型斜拉索的表面系数。1.3其他组件的风阻系数桥塔风阻系数、主梁横桥向风阻系数均根据测力风洞试验结果得出,主梁顺桥向摩擦因数由规范查表得出,其他构件风阻系数如表3所示。1.4不同加载方式下拉索梁端、塔端支反力分析以横桥向高风速下的螺旋线索为例,分别采用中点加载(平均加载)、梯形不分段加载、梯形两段加载、梯形四段加载方式(图2),对荷载均值及拉索梁端、塔端支反力进行分析,不同加载方式下的荷载集度及结构响应结果比较如表4所示。由分析结果可见,本文的计算采用了足够精确且相对简便的梯形不分段加载。2拉索风荷载集度选择光索、螺旋线索3和凹坑索按照第1节中的计算风速、风阻系数、加载方式,根据象山港公路大桥的拉索配置,计算斜拉索的风荷载集度,结果如表5所示。采用不同形式拉索时,斜拉桥各构件所受风荷载的比重如表6所示。3拉索风荷载作用下塔底、跨中弯矩响应桥梁采用不同形式拉索时,由单独作用于各构件的风荷载产生的塔底、跨中弯矩响应如表7所示;当全桥受风荷载作用时,不同形式拉索的塔底、跨中弯矩响应如表8所示。分析拉索不同气动措施带来的风荷载差异,仅进行荷载分析是不够的,还需要计算其对整体结构响应的影响。横、顺桥向全桥风荷载作用下塔底、跨中弯矩比值及绝对差如表9、10所示。对结构弯矩响应做比重分析,由于辅助墩风荷载引起的塔底弯矩及跨中负弯矩比重甚小,因此比重分析可忽略辅助墩的作用;鉴于此,对横桥向风荷载做跨中弯矩比重分析不考虑桥塔的作用。构件风荷载结构响应的比重如表11所示。4拉索对全桥向的影响(1)螺旋线索的风阻系数大于凹坑索的,在横桥向高风速作用下,螺旋线索受到的风荷载较光索大66%。低风速时,螺旋线索受到的风荷载较凹坑索大30%～40%;高风速时,螺旋线索受到的风荷载较凹坑索约大20%。(2)相同工况时,拉索横桥向风荷载约为顺桥向风荷载的2倍,而风荷载所占比重却为顺桥向风荷载的5倍,由此可见,拉索形式对于全桥横桥向的影响远远大于对顺桥向的影响。(3)对于全桥横桥向风荷载结构响应,采用不同形式拉索对桥梁主跨跨中弯矩的影响均大于对塔底弯矩的影响。而对于全桥顺桥向风荷载结构响应,采用光索与凹坑索时,结构响应基本无差别。(4