大跨度斜拉桥桥塔自立状态抗风性能试验研究

武汉青山长江公路大桥主桥为主跨938m的全飘浮体系斜拉桥,桥塔高度超过270m。为了检验桥塔在施工阶段的抗风安全性,采用ANSYS软件分析该桥北塔结构动力特性,并制作缩尺比为1∶100的自立北塔气动弹性模型进行风洞试验,研究桥塔自立状态在均匀流场、紊流场中的涡振和驰振响应,以及在紊流场中的抖振响应。结果表明:桥塔自立状态在均匀流场中检验风速范围内仅发生了微小的涡振,未发生驰振现象;在紊流场中检验风速范围内桥塔未发生明显的涡振、驰振等现象;在紊流场中施工阶段设计基准风速作用下,桥塔顺桥向抖振位移远大于横桥向抖振位移,当风向角为15°及60°～75°时,桥塔塔顶顺桥向抖振位移均方根最大,为62～67mm,不影响桥塔施工安全。     

带吊机钢桥塔施工状态抖振响应及风振舒适性研究

为评估施工过程中带吊机状态时桥塔的风振舒适性,对某桥一高164.4 m的独柱式钢桥塔与吊机结构开展了气动弹性模型风洞试验,研究桥塔封顶(T1状态)以及最后一道扶墙安装前(T2状态)2种施工状态下的桥塔和吊机的抖振位移响应;采用加速度均方根作为结构风振舒适性评价指标,通过比较多种舒适性标准得出高、中、低3种评价等级,对带吊机桥塔结构风振舒适性进行评价,并结合工程规定进行验证。结果表明:风偏角对带吊机钢桥塔结构抖振响应有显著影响,其中15°风偏角下抖振响应最大;风速与带吊机钢桥塔结构顶部加速度均方根间存在较显著的线性正相关特性,可以作为风振舒适性的简易评价指标;2种施工状态下桥塔塔顶风振舒适性基本一致,T2状态下吊机顶部风振舒适性低于T1状态;3种评价标准中基于非常烦扰的中评价等级与工程规定较相符。     

悬索桥超高桥塔的刚度和风致响应

为了探讨悬索桥超高桥塔的刚度和风致响应问题,围绕顺桥向A字形布置混凝土桥塔(不同底部张开量)和顺桥向独柱形布置混凝土桥塔(不同塔柱截面)展开研究。利用有限元分析软件建立了2种类型桥塔的裸塔自立状态有限元模型,计算对比了桥塔刚度以及静风响应,同时采用时域分析方法计算桥塔的抖振响应,对比分析了在桥塔横向构造形式一定的前提下,不同类型方案对超高桥塔刚度和风致响应的影响。分析结果表明,顺桥向A字形桥塔的整体刚度较独柱形桥塔大;在顺桥向静风作用下,独柱形桥塔塔顶位移比A字形桥塔大得多;在顺桥向脉动风作用下,独柱形桥塔塔顶抖振位移响应的脉动程度远大于A字形桥塔。     

张靖皋长江大桥南航道桥主桥塔静气动力系数研究

张靖皋长江大桥南航道桥主桥塔塔高超过300 m,采用倒角矩形截面设计，风荷载效应突出。为对该桥塔气动性能进行精细分析，采用缩尺比为1∶100的分段刚性模型进行风洞测力试验，研究桥塔各段静气动力系数随风偏角的变化规律，并分析塔柱间的遮挡效应和横梁对静气动力系数的影响，结果表明，主塔上、中、下3段最大阻力系数为1.125,最大升力系数为1.329,塔柱间的遮挡效应在风偏角0°～20°时对阻力系数影响较大，横梁对塔柱升力系数和扭矩系数影响较大。研究成果对300 m级超高桥塔设计具有一定的参考意义。     

港珠澳大桥青州航道桥抗风性能研究

为了检验港珠澳大桥青州航道桥的风致稳定性,对其抗风性能进行研究。采用主梁节段模型风洞试验研究主梁的涡振性能和颤振性能,采用桥塔气弹模型风洞试验研究桥塔自立状态的驰振性能和涡振性能,采用ANSYS软件进行全桥有限元分析研究该桥的静风稳定性。结果表明:港珠澳大桥青州航道桥主梁原始断面和增加风嘴断面涡振性能不满足规范要求,在人行道栏杆上方增设抑流板后涡振性能满足要求;主梁原始断面和增加风嘴断面满足颤振稳定性要求,增加抑流板断面在+5°风攻角下的颤振稳定性不满足要求;桥塔的驰振性能满足要求;均匀流场和紊流场下,桥塔仅在风偏角较小时出现扭转涡振;各初始风攻角下,该桥的静风稳定临界风速均远大于静风失稳检验风速,静风稳定性满足规范要求。     

斜向风作用下倒梯形桁梁桥气动力参数研究

为研究气动力参数对倒梯形断面公铁两用桁梁桥在斜向风作用下气动特性的影响,采用2种不同断面尺寸的倒梯形断面桁梁模型,针对成桥状态与施工状态,在大范围风偏角(0°~180°)与不同风攻角来流条件多种组合工况下进行风洞试验,测量其五分力系数,并将试验值与传统斜向风分解理论结果进行对比。试验结果表明:横桥向力系数最大值均发生在风偏角为15°左右时,顺桥向力系数最大值发生在风偏角为60°左右时;对于此类断面桁梁桥,横桥向风致响应计算时,横桥向来风时不一定是最不利来流,且顺桥向力不能忽略。对比风洞试验结果与斜向风分解理论表明,两者得出的顺桥向力系数与横桥向力系数的比值有一定的偏差。     

大跨度叠合梁斜拉桥施工阶段极限承载力研究

为研究大跨度叠合梁斜拉桥施工阶段极限状态下的受力性能和破坏机理,以西固黄河大桥主桥为背景,采用ANSYS软件建立全桥有限元模型,计算该桥在最大双悬臂、最大单悬臂和二期恒载等典型施工阶段的非线性稳定安全系数,分析结构在各施工阶段的斜拉索应力、塔梁连接处Mises应力和塔顶、主梁跨中的荷载~位移曲线。结果表明:该桥各典型施工阶段的非线性稳定安全系数均满足不小于2的设计要求;当主桥达到极限承载力时,部分斜拉索先破断,破坏过程合理;最大双悬臂施工阶段桥塔整体未达到屈服状态,最大单悬臂施工阶段和二期恒载施工阶段塔梁连接处出现塑性区;塔顶和主梁跨中的荷载~位移曲线具有显著的非线性效应。     

摆式碰撞双重调谐质量阻尼器减振性能研究

柔性高耸桥塔具有刚度低、阻尼小等特点，极易在强风以及地震等动力荷载下产生大幅振动。摆式调谐质量阻尼器(Pendulum Tuned Mass Damper，简称摆式TMD)是目前常用的高耸结构被动控制方法，但其具有参数敏感、控制频域窄、阻尼实现手段复杂等突出缺点。为此，提出了一种摆式碰撞双重调谐质量阻尼器(Pendulum Pounding Double Tuned Mass Damper，简称PPDTMD)，该阻尼器具有双重调频能力，既提高了其减振性能，也解决了传统摆式TMD需要外接阻尼元件和碰撞式TMD噪声问题。建立了多自由度结构与摆式碰撞双重调谐质量阻尼器耦合系统的运动方程，通过参数搜索方法确定了其最优设计参数，拟合得到简化设计公式，对比了PPDTMD与传统摆式TMD的减振效果。以某自立桥塔为研究对象，分别研究了在涡振、地震、强风荷载作用下PPDTMD的抑振性能。研究结果表明:PPDTMD具有双重调谐特性，减振性能显著提升，当质量比为4%时，PPDTMD相对于理想摆式TMD、实际摆式TMD的动力放大系数峰值分别下降了11%和46%;在PPDTMD控制下，自立桥塔涡激共振(简谐激励)作用下的塔顶位移响应幅值减振率为71.9%；Kobe波作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为34.7%和60.2%；抖振力作用下的塔顶位移峰值及均方值减振率分别为26.9%和43.5%;不同动力荷载下PPDTMD的减振性能均优于传统摆式TMD。     

斜拉桥H形混凝土桥塔横桥向地震破坏模式研究

为研究斜拉桥不同方案的H形混凝土桥塔在横桥向地震作用下的破坏模式,以某双塔斜拉桥(桥塔采用H形钢筋混凝土塔)为背景,设计制作2个缩尺比为1/20的全桥模型(桥塔分别采用强柱弱梁和强梁弱柱方案)进行振动台试验,观测桥塔破坏过程,测量桥塔基本周期变化及桥塔加速度和位移响应。结果表明:随着地震激励强度的增强,强梁弱柱设计的桥塔经历弹性阶段、裂缝开展阶段、塔柱保护层混凝土剥落及塔柱混凝土压碎4个阶段,且桥塔破坏时塔顶残余位移较小;与强柱弱梁设计相比,强梁弱柱设计的桥塔可以更好地控制塑性发展位置,并充分发挥桥塔塔柱的非线性耗能能力,减小桥塔下部基础的抗震需求。     

公铁两用多塔斜拉桥关键构造静力行为研究

该文以公铁两用连续钢桁结合梁多塔斜拉桥为对象，针对其特殊构造形式，研究了运营阶段风与车辆荷载作用下公铁两用部分斜拉桥塔梁连接部位的静力行为。探讨了在桥塔自立状态和成桥状态下结构在相应最大静阵风荷载和自重联合作用下结构的静力反应。重点分析了主桁跨中和支点部位、桥塔塔根和塔顶部位、桥塔和主桁连接部位、公路桥面板和铁路桥面板的静力特性。并对公铁联合荷载作用下大桥的强度、刚度进行了综合评估。     

施工态下塔吊对钢桥塔涡激振动影响的风洞试验

施工中的钢桥塔,特别当桥塔主体工程完成,而主缆尚未架设时,易发生风致振动。为了研究施工状态下,塔吊对钢桥塔风致振动的影响,以某大跨度斜拉桥钢桥塔和塔吊组合体系为实际工程背景,采用风洞试验方法,在均匀流场中测试了裸塔状态下和桥塔与塔吊组合体系下各自的风致振动响应,并将两者的测试结果进行对比分析。研究结果表明:裸塔状态下的钢桥塔气弹模型在0°风向角下会出现较为明显的大幅顺桥向涡激振动现象,随着风速的增长,当风速达到47 m/s后,裸塔状态下的钢桥塔气弹模型会发生大幅的发散性驰振现象。另一方面,随着风向角度的增加,钢桥塔风致振动响应降低较为显著,没有发生较为明显的涡激振动和发散性驰振现象。在所有试验风向角工况下,钢桥塔和塔吊组合体系状态在均匀流场中的风致振动响应相比钢桥塔裸塔状态显著减小,并且未发生明显的涡激振动和驰振现象,这表明塔吊的存在会明显抑制钢桥塔的风致振动响应。今后在考虑施工态下风荷载对钢桥塔施工安全的影响时,不仅应考查裸塔状态钢桥塔的风致振动响应,还应考查钢桥塔和塔吊组合体系下的风致振动响应。本研究结论可为施工态下同类钢桥塔的风致施工安全提供一定的参考。     

波形钢腹板矮塔斜拉桥施工过程力学性能分析

为指导波形钢腹板矮塔斜拉桥施工,对该类型桥梁的施工全过程进行力学性能分析。以(58+118+188+108)m的朝阳沟特大桥为研究对象,采用MIDAS/FEA有限元软件建立有限元模型,对其施工全过程进行计算。计算结果表明:施工过程中张拉悬臂顶板预应力束使主梁悬臂端轻微下挠,对悬臂施工主梁悬臂端竖向变形的影响远小于张拉斜拉索和浇筑梁段混凝土产生的影响;悬臂根部顶、底板应力在合龙束张拉时应力增量较大,应在施工中重点关注;斜拉索索力受施工阶段的影响不大,索力分2次张拉调整到成桥索力是合适的;矮塔斜拉桥桥塔和主梁刚度较大,两桥塔塔顶位移在悬臂施工过程中基本为0,顶推力作用下一侧桥塔塔顶向边跨桥台侧偏位约5cm,另一侧桥塔塔顶向边跨桥台侧偏位约4cm,可抵消后期运营中桥塔向跨中的偏位。     

黄河壶口大桥最大双悬臂施工状态风洞试验研究

为研究大跨高墩连续刚构桥在最大双悬臂状态下的抗风性能,以黄河壶口大桥为工程背景,应用有限元数值分析方法,分析了结构的动力特性;并设计、制作气弹模型,对其进行风洞试验研究,考虑了风场类型、风偏角和阻尼比等参数的影响.结果表明:在自然风场条件下,结构最大双悬臂施工状态时,发生涡激共振和驰振的可能性很小;紊流场对应的结构振幅明显大于均匀流场的结构振幅;90°风偏角对应的3个方向振幅均最大;上游桥对下游桥有一定的遮挡效应;增大结构阻尼比能够明显地抑制结构的风致振动振幅.     

杭州湾跨海大桥北航道桥主塔施工阶段抖振时域分析及安全性评定

杭州湾跨海大桥处在台风多发区,北航道桥为双塔斜拉桥。本文以该斜拉桥高为178.8 m的钻石形桥塔为工程背景,对主塔在施工过程中的抗风最不利阶段进行风致抖振时域分析,从而对桥塔在施工阶段中的结构安全和施工人员安全进行评定。首先选取结构在塔柱尚未合龙时和桥塔自立阶段为抗风最不利阶段,利用有限元程序对结构进行模态分析,确定了结构的动力特性和瑞利阻尼系数。然后计算在不同风偏角下的风致响应。将结构在考虑施工过程的静力结果和抖振时域分析的结果进行叠加,得到符合实际情况的结构应力和位移。结果表明,结构应力满足规范要求,不会出现裂缝;塔柱顶部抖振振幅和狄克曼指标较大,在风力较大时宜采取有效措施保证施工人员安全。     

多跨斜拉桥双钢管-混凝土组合结构桥塔静力与抗震研究

为研究双钢管-混凝土组合结构桥塔在多跨斜拉桥中的应用,以一座7塔8跨斜拉桥模型为背景,对双钢管-混凝土组合结构桥塔的静力及抗震性能进行分析.采用极限状态设计法检验桥塔的安全性,在中等强度地震波和超强地震波作用下,通过比较桥塔横梁处主梁在纵向可移动连接、线弹性连接及双线弹性连接3种支承条件下的地震响应评估桥塔的抗震性能.分析结果表明:隔跨布置活载引起的主梁及桥塔弯矩大于满跨布置荷载引起的主梁及桥塔弯矩;桥塔越高产生的位移和弯矩越小;塔顶响应和塔底弯矩在可移动支承条件下最大,在双线弹性连接条件下最小.双钢管-混凝土组合结构桥塔适用于多跨斜拉桥,主梁与桥塔横梁处采用双线弹性连接方式,桥塔的抗震性能最好.     

大跨悬索桥塔顶位移控制值分析

为了分析某悬索桥上部结构施工过程中塔顶纵向抗推刚度和允许位移，采用通用有限元程序ANSYS建立了3种不同单元形式的桥塔有限元空间模型，利用这3种模型分别计算了桥塔的抗推刚度和抗扭刚度，得到了比较一致的结果。提出用2种混凝土应力水平来控制塔顶允许位移，分别采用线性和非线性方法，计算了某悬索桥塔在2种荷载工况下，按不同应力水平条件控制下塔顶允许位移值和塔身的混凝土最大应力。     

双弧形跨海斜拉桥静力与稳定性分析

为探究具有双弧形桥塔的跨海斜拉桥静力稳定性问题,首先介绍了工程概况以及风参数,并基于桥址处场地条件给出了主梁横向静阵风荷载的计算过程；其次基于Midas/Civil 2019建立考虑拉索几何非线性的三维空间有限元模型,并给出了结构自振特性；最后探究了营运阶段可能承受荷载作用下的静力与稳定问题。研究表明：主梁在塔梁连接处的内力最大,而桥塔最大内力发生在下横梁连接处,桥塔弯矩和剪力最大值分别为3.05×10⁵ kN.m和1.53×10⁴kN；主梁跨中竖向位移和塔顶纵向位移最大值分别为52.52mm和17.364mm,均满足要求；横风作用下塔顶位移和主梁跨中横向位移分别为20.384mm和6.81mm,且稳定系数大于4,故在营运阶段不会因各种荷载共同作用下产生整体失稳问题。     

GNSS-RTK在大跨斜拉桥施工期位移监测中的应用

为实现大跨斜拉桥施工期关键结构位移自动化监测,在桥塔塔顶和桥面吊机顶部布置GNSS测点,建立施工期全球卫星导航系统实时动态差分(GNSS-RTK)监测系统。该系统采用小波变换进行数据预处理,根据吊机顶部位移与主梁变形关系,分析吊机走行、节段吊装、环缝焊接、斜拉索张拉等典型工况下的监测数据,为结构状态的实时评估提供依据。武汉青山长江公路大桥应用结果表明:该方法能有效监测塔顶和悬臂前端的三维空间位移,有助于结构状态的实时评估和快速施工;Haar小波可用于大量数据自动化分析中典型工况的时间定位,dbN小波可用于位移信号的低通滤波;有必要进行位移的结构温度效应修正以提高监测精度。     

大跨独塔斜拉桥纵向约束体系研究

为寻求一种最优纵向抗震体系,以一座位于高烈度区的205 m+205 m独塔斜拉桥为工程背景,建立动力模型进行时程分析,分别从黏滞阻尼器方案和弹性索方案两方面进行参数研究,比选2种方案并确定最优的纵向约束体系。结果表明,在总阻尼力和阻尼指数相同的前提下,当边墩与桥塔的阻尼器屈服力之比为1∶2时,下塔柱底的地震弯矩、塔顶位移与主梁位移均达到极小值;黏滞阻尼器在边墩和桥塔上的布置数量分别为4个、8个,当阻尼指数取0.3、阻尼系数为2 000 kN时,地震内力与位移均可得到有效的平衡控制;当全桥2根弹性索刚度为4×10⁴ kN/m时,关键截面的弯矩和剪力均出现极小值,黏滞阻尼器方案较弹性索方案的地震内力降幅超过20%,地震位移大致减小50%。     

平塘特大桥主桥抗震性能研究

平塘特大桥主桥为(249.5+550+550+249.5)m三塔双索面钢-混叠合梁斜拉桥。15号塔(边塔)、16号塔(中塔)、17号塔(边塔)分别高320,328,298m。该桥位于山区,桥址处为地震区,为了解地震作用对桥塔内力和桥塔、主梁位移的影响,采用SAP2000软件建立有限元模型,分别采用反应谱法和非线性时程分析法对其进行地震反应分析,并分析塔高差异对抗震性能的影响。结果表明:在地震作用下,中塔的塔底弯矩和塔顶位移大于边塔的塔底弯矩和塔顶位移;对于2座边塔,较高的15号塔的塔底弯矩及塔顶位移更大;主梁的纵向振动与横向振动基本不耦合,相对于纵向地震,主梁的竖向位移受横向地震的影响更大;2种方法的计算结果接近,但非线性时程分析考虑了支座的非线性,建议采用时程分析结果作为抗震设计的依据。