基于实测与规范风谱的三塔悬索桥抖振性能对比_王浩

第43卷第5期2013年9月

东南大学学报（

自然科学版）

JOUＲNALOFSOUTHEASTUNIVEＲSITY（NaturalScienceEdition）

Vol．43No．5Sept．2013

doi：10．3969/j．issn．1001－0505．2013．05．015

基于实测与规范风谱的三塔悬索桥抖振性能对比

王

浩

陶天友

郭

彤

李爱群

邓稳平

（东南大学混凝土及预应力混凝土结构教育部重点实验室，南京210096）

摘要：为了描述三塔悬索桥抖振性能，采用实测与规范风谱进行了抖振对比研究．基于润扬、苏通桥址区多次台风现场实测数据及结构健康监测系统数据库的数据资料，采用非线性最小二乘——实测谱．以世界第一大跨度三塔悬索桥主跨1080m的泰法获得桥址区实测强风风谱模型—州大桥为工程背景，分别采用规范谱和实测风谱为目标谱模拟了桥址区的三维脉动风场，据此开展了基于ANSYS的三塔悬索桥抖振响应对比研究．结果表明：2种主梁抖振位移PSD曲线基本一致，各方向的第一阶振型对主梁抖振响应的贡献最大；泰州大桥主梁沿跨度方向侧向抖振位移ＲMS分布与两塔悬索桥基本一致，竖向与扭转抖振位移ＲMS分布表现出了其独有特点；采用实

规范谱偏于保守．研究结果可用于该桥的风致抖振分析，同时可对其测谱的主梁抖振响应略小，

他同类型桥梁的抗风设计提供重要参考．

关键词：规范谱；实测谱；三塔悬索桥；抖振响应；时域分析中图分类号：U448．27

文献标志码：A

0986-07文章编号：1001－0505（2013）05-

Comparablestudyonbuffetingperformanceoftriple-towersuspension

bridgebasedonmeasuredwindspectrumandspecificationwindspectrum

WangHao

TaoTianyou

GuoTong

LiAiqun

DengWenping

（KeyLaboratoryofConcreteandPrestressedConcreteStructuresofMinistryofEducation，SoutheastUniversity，Nanjing210096，China）

Abstract：Inordertodescribethebuffetingperformanceofatriple-towersuspensionbridge，com-parativestudyonbuffetingwasconductedwithmeasuredwindspectrumandthespecificationwindspectrum．BasedonthefieldmeasurementsanddatabaseofthestructuralhealthmonitoringsystematＲunyangBridgeandSutongBridge，thewindspectrum（measuredspectrum）fromthemeasuredstrongwindwasobtainedbythenonlinearleastsquaremethod．Asthelongest-spantriple-towersus-pensionbridgeintheworld，TaizhouYangtzeＲiverBridgewiththemainspanof1080mwastakenastheexample．Afterthe3Dturbulencewindfieldwassimulatedbyconsideringthemeasuredspec-trumandthespecificationspectrumasthetargetspectrumrespectively，comparableanalysesonthebuffetingresponseofthetriple-towersuspensionbridgewerecarriedoutbasedonANSYS．There-sultsshowthatthesetwokindsofbuffetingdisplacementPSD（PowerSpectrumDensity）curvesofthemaingirderchangewiththesametrend，andthefirstordervibrationmodeineachdirectioncon-tributesmostlytothebuffetingresponse．TheＲMSdistributionofthelateralbuffetingdisplacementalongthespanofthetriple-towersuspensionbridgeismainlythesameasthoseoftwo-towersuspen-sionbridges，whiletheＲMS（ＲootMeanSquare）distributionoftheverticalandtorsionalbuffetingdisplacementshowsitsowncharacteristics．Thebuffetingresponseswiththemeasuredspectrumaresmallerandthosefromthespecificationspectrumarethereforeconservative．Theresultscanprovidereferencesforwind-inducedbuffetinganalysisofthebridgeandwindresistantdesignofotherbridges

inthesametype．

Keywords：specificationspectrum；measuredspectrum；tripe-towersuspensionbridge；buffeting

response；time-domainanalysis

05-10．作者简介：王浩（1980—），wanghao1980@seu．edu．cn．收稿日期：2013-男，博士，副研究员，

7）、基金项目：国家自然科学基金资助项目（51378111）、江苏省交通科学研究计划资助项目（2011Y03-江苏省高校优势学科建设工程资助

项目、东南大学优秀青年教师资助计划资助项目、同济大学桥梁结构抗风技术交通行业重点实验室开放课题资助项目（KLWＲT-BMC12－02）．

J］．东南大学学报：自然科学版，2013，43（5）：986-992．引文格式：王浩，陶天友，郭彤，等．基于实测与规范风谱的三塔悬索桥抖振性能对比［［doi：10．3969/j．issn．1001－0505．2013．05．015］

随着跨径的增加，悬索桥结构变得极为细柔，在风荷载作用下的响应逐渐占据主导作用

［1-4］

．泰

图1

泰州大桥结构布置图（单位：m）

州长江公路大桥（以下简称泰州大桥）为主跨2×1080m的三塔双跨钢箱梁悬索桥，系世界首创．与中塔的引入使得三塔悬索桥的受两塔悬索桥相比，

力特点与动力特性变得更加复杂，在风荷载激励下的响应应该给予密切关注．抖振作为桥梁风致振动已成为桥梁抗风研究中的重点最突出的形式之一，

课题之一，且已开展了大量相关研究

［5-7］

该三塔悬索桥边跨无悬吊加劲梁，中塔下横梁

上不设竖向支座，也不设0号索，在中塔横梁与主梁间设横向抗风支座，限制主梁的横向位移，竖向采用限位挡块．中塔处设弹性索适当限制纵向位移；下塔柱底部与沉井上盖板相连；边塔处设置竖向拉压支座、侧向抗风支座和纵向阻尼支座．

，然而，国

内外对于三塔悬索桥抗风性能的研究很少．鉴于大跨度三塔悬索桥新颖的结构型式及其复杂的受力特点，开展其抖振研究具有重要的理论意义与工程应用价值．

我国地处亚洲大陆东部，地域广大，不同的地形特点会引起所在地风场特性的差异，因而单一的抗风规范很难完整地诠释全国各地的风谱模型

［8］

2结构有限元模型

基于大型有限元分析软件ANSYS平台建立

了泰州大桥的有限元计算模型，如图2所示．在该有限元模型中，加劲梁采用鱼骨梁式的计算模型，加劲梁和桥塔等构件简化为空间梁单元，加劲梁按

吊杆则简化为空间杆吊杆的吊点进行离散．主缆、

主缆按吊杆的吊点进行离散，其弹性模量采单元，

［10］

用Ernst等效弹模公式进行计算．主梁与吊杆之间采用刚性横梁模拟，横梁采用刚臂（刚度极大的无质量梁单元）模拟．分析中将主梁的质量平均分通过节点上的集中质量惯矩来考虑配到各节点上，

主梁分布质量惯矩的作用．根据结构设计图纸，耦合了主梁与边塔在竖向、横桥向以及绕顺桥向的转动自由度，同时耦合了主梁与中塔在横桥向的自由中塔下横梁与加劲梁交界处设置度．在边、

Combin14非线性阻尼器单元，以模拟用于控制纵桥向位移的弹性拉索和纵向阻尼支座，并将同一位置设置同向阻尼器，通过改变阻尼系数来等效多个阻尼器在该方向上的输出力．主缆和主塔底部完全固结，未考虑土-桩-结构相互作用

．

．本文以世界第一大跨度三塔悬索桥———泰

州大桥为工程背景，采用实测风谱对该桥设计阶段基于规范谱所进行的抖振分析进行对比验证．实测风谱源自本课题组多年来在润扬长江大桥桥址区、苏通长江大桥桥址区的多次台风现场实测以及结构健康监测系统

［9］