大跨度桁式加劲梁悬索桥气弹模型等效设计

　　桥梁跨度的不断增大使得结构趋向轻柔化,振动频率下降,对风致振动愈加敏感。抗风问题成为大跨度桥梁设计、施工中的首要问题。当桥址处于山区峡谷时,由于地形复杂,峡谷风环境特殊,综合考虑施工及抗风稳定的要求,空间桁架加劲梁悬索桥因为整体刚度大、抗风稳定性好,并且有单根杆件、平面构件、立体节段等多样化架设方法可选择[1 ],成为极具竞争力的桥型。例如主跨900 m的湖北四渡河峡谷大桥,贵州镇胜高速路上主跨1 088 m的坝陵河大桥以及目前正在施工的跨越山区峡谷的主跨1 176 m的湖南湘西矮寨特大桥,均为采用单跨钢桁加劲梁的悬索桥。为确保大跨度桥梁抗风安全,风洞试验仍然是主要的研究手段。其中气弹模型风洞试验因其能考虑风与结构相互作用的三维效应,更为充分、真实的模拟大跨度桥梁在大气紊流下的气动响应从而得到了广泛的应用[2、3]。为确保气弹模型真实反应实际桥梁结构在大气边界层中的响应,全桥气弹模型必须满足动力特性和外形与实际结构的相似关系[4, 5]。然而气弹模型制作中,由于受缩尺比限制,很难通过模拟空间桁架单根杆件刚度特性的方式来实现对原结构动力特性的模拟,通常做法是采用等效弹簧连接刚性节段[6, 7]或单根芯梁模拟原结构的动力特性,外衣分段,只模拟外形而不提供刚度。不同于箱型梁截面可以直接通过截面几何图形计算得到等效的单主梁截面刚度,空间桁架主梁无法通过简单的截面几何图形计算获得等效的单主梁截面刚度特性,因此等效刚度特性的计算问题在桁架加劲梁气弹模型设计中显得较为突出。同时跨越峡谷的大跨度悬索桥通常采用单跨的布置形式,两塔通过边主缆锚固,风荷载主要作用于主跨结构上,边主缆所受风荷载很小,对主跨结构影响微弱,当风洞试验段寸限制模型缩尺比时,如何建立等效模型,使风洞试验准确、充分地展现主跨结构的风致响应,成为气弹模型试验中又一个需要解决的问题。本文以湘西矮寨大桥为背景,利用有限元软件ANSYS,建立了不同长度空间桁架主梁的有限元模型,通过悬臂梁位移法反算得到桁架主梁的等效刚度[8],并研究了不同加载方式以及不同节段长度对等效刚度计算的影响。在此基础上,采用等效弹簧模拟了边主缆及桥塔对主跨的约束刚度,建立了刚性桥塔加主缆串联等效弹簧形式的单主梁有限元模型,从而为气弹模型等效设计提供依据。

　　1　工程背景

　　矮寨大桥位于湖南湘西自治州吉首地区矮寨镇,是吉茶高速公路上一座跨越深谷的特大悬索桥。该桥为跨径1 176 m的单跨钢桁加劲梁悬索桥,加劲梁水平长度为1 000. 5 m,跨中桥面距谷底高度约340 m,梁高7. 5 m,桁架节间距7. 25 m,主缆矢跨比1: 9. 6,两主缆形心距27 m。矮寨大桥整体效果图及桁架加劲梁设计断面如图1、图2所示[9]。