钢管混凝土拱桥非线性时域抖振分析.pdf

钢管混凝土拱桥非线性时域抖振分析 聂永成 ， 冯玉珍 (1．杭州电信规划设计院有限公司，浙江 杭州 310013；2．杭州易大景观设计有限公司，浙江 杭州 310020) 摘 要：采用谐波叠加法模拟了巫峡长江大桥处的随机风场 ，应用有限元分析软件 ANSYS建立 了该桥的有限元模 型，在此基础上 ，对该桥进行了非线性时域抖振分析 。并计算 了该桥 的静风、阵风荷载响应。分析结果表明：考虑几何 非线性会增大钢管混凝土拱桥的横桥向及扭转抖振响应，该桥的脉动风不可忽视。 关键词：钢管混凝土；拱桥 ；抖振 ；时域分析 ；几何非线性 中图分类号 ：U448．2 文献标识码 ：A 文章编号 ：1672—0679(2010)01—0050—06 桥梁的抖振是指在 自然风脉动成分作用下的随机性强迫振动 ，其发生频度较高 ，过大的抖振响应在桥梁 施工期间可能危及施工人员和机械的安全 ，在成桥运营阶段则会影响行人的舒适性和行车的安全性 以及因 疲劳而缩短桥梁局部构件的寿命。因此，抖振分析已成为桥梁抗风设计中13益重要的课题。抖振分析方法有 频域法和时域法两种，目前工程上的结构抗风分析主要是在频域范围内进行，但频域法只能对结构进行线性 化分析，不能全面地反应结构的非线性行为，随着桥梁跨径的增大，结构刚度轻柔化，几何非线性效应突出， 越来越多的学者采用时域的方法进行桥梁的抖振研究n-51。 近半个世纪以来 ，人们对大跨度桥梁 (主要是大跨度斜拉桥和悬索桥)的颤振和抖振进行了许多深入的 研究6[1，尽管钢管混凝土拱桥在2O世纪 30年代的前苏联就已出现，但其大量的应用与快速发展是在 90年 代的中国7【】，与大跨度的斜拉桥和悬索桥等桥型相 比，钢管混凝土拱桥在结构抗风的静 、动力分析方面的研 究尚不成熟。因此，对大跨度钢管混凝土拱桥的时域抖振分析具有重要的意义。本文以净跨径460m的中承 式钢管混凝土拱桥——巫峡长江大桥为研究对象，采用谐波叠加法模拟了脉动风速场，运用有限元分析软件 ANSYS，对大跨度钢管混凝土拱桥进行了非线性时域抖振分析。 1 风场模拟 时域抖振分析中首先要解决的问题就是模拟桥梁上的随机风场，大跨度桥梁上的风场包括顺风向、竖直 向和横风向三个方向上的脉动，目前一般仅考虑顺风向脉动和竖直向脉动对桥梁的作用 ，且忽略二者之间的 相关性，这样就把该风场处理为两个独立的一维多变量随机过程。 目前风场模拟的方法主要有：线性滤波法 和谐波叠加法。线性滤波法计算量小，速度快，适用于任意谱特征的平稳随机过程 ，但模型阶数一般依靠经 验选取，精度相对较差；基于三角函数叠加的谐波叠加法虽然模拟需要的时间长，但数学推理严密，算法过程 简单 ，更重要的是模拟谱精度较高，稳定性较好。本文采用谐波叠加法，根据Shinozukatsl的理论，随机过程的 样本采用如下形式来模拟 i N … (f)=2、／△ l ()ICOS[~olt-0j,() “】 (1) k=l ：l 式中，Ⅳ为采样频率点数，应足够大；AoJ=w~N为频率增量， 为上界截止频率；机 为均匀分布于[0，2)区 间的随机相位角； ()为的 ()幅角； ()为 s()的Cholesky分解矩阵 ()中的元素；5()为脉动 风的功率谱密度函数。 Shinozuka将快速傅立叶变换 (FFr)技术引人随机过程的模拟 ，取M=2rr／(AtoAt)为整数 ，则可将式(1)改 写成如下形式 p(=2V~a5-Rep(△￡)exp[i(匹M川 (2) 其中，p=0，1，K，M一1；=1，2，…，n。 (PAt)由下式给出，可通过快速傅立叶进行计算 M一1 Bj(1Aw))eexPp pp((△△zz))==∑／ { )J