CN104818665A - 一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，属于管道桥抗风领域。所述方法包括以下步骤：步骤1，建立设有干扰索的悬索管道桥的有限元模型，所述干扰索将所述悬索管道桥的主索和风索连接起来，并初步设定所述干扰索拉力；步骤2，计算所述悬索管道桥的自振频率；步骤3，根据所述自振频率，计算驰振稳定性和颤振稳定性，并进行验算比较；当V_cg≥1.2V_d且V_cr≥1.2μ_fV_d时，进行步骤4，反之，则返回步骤1；步骤4，根据所述自振频率，计算竖向涡激共振振幅和扭转涡激共振振幅，并进行验算比较，当且时，进行步骤5，反之，则返回步骤1；步骤5，通过以上步骤，不断调整所述干扰索拉力，最终确定所述干扰索拉力。通过所述方法，提高了大跨度悬索管桥的抗风安全性。

Description

一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法

技术领域

本发明涉及一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，属于管道桥抗风领域。

背景技术

悬索管道桥是承载天然气管、油管或水管以跨越河流、峡谷等天然或人工障碍的特殊悬索桥。从1926年美国在红河建起第一座悬索管道桥以来，世界各地已建起许多悬索管道桥，随着悬索管道桥的跨度越来越大，管道桥结构日趋长大、轻柔、低阻尼化。由于管道桥桥面宽度远小于公路桥、铁路桥，其宽跨比可达到1/120，管道桥对风的敏感性更高，设计中必须认真考虑风致振动对管道桥的影响。如果按以往跨度不大的悬索管道桥，设置风索，仅可以解决管道桥侧向风作用和变形问题，但对风荷载作用下索系可能发生的线性内部共振、涡激共振以及风雨激振等发散性风致振动无法控制。

发明内容

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种于大跨度悬索管道桥的抗风方法，通过设置干扰索，将悬索管道桥主索、风索连接起来，实现控制风致振动的目的。本发明适用于大跨度悬索管道桥设计，为大跨度悬索管道桥抗风设计提供有效的技术措施。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，包括以下步骤：

步骤1，建立设有干扰索的悬索管道桥有限元模型，所述干扰索将悬索管道桥主索和风索连接起来，用于限制主索和风索的振幅，增大悬索管道桥的结构阻尼；根据索系尺寸、拉力，初步设定干扰索拉力；

步骤2，计算悬索管道桥自振频率；所述自振频率包括反对称竖向弯曲基频和对称扭转基频；

步骤3，根据所述自振频率，计算驰振稳定性和颤振稳定性，并进行验算比较；当V_cg≥1.2V_d且V_cr≥1.2μ_fV_d时，进行步骤4，反之，则返回步骤1；

其中，V_cg为驰振临界风速(m/s)，V_cr为颤振临界风速(m/s)，V_d为桥面高度处的设计基准风速(m/s)，μ_f为风速脉动修正系数；

步骤4，根据所述自振频率，计算竖向涡激共振振幅和扭转涡激共振振幅，并进行验算比较；当且时，进行步骤5，反之，则返回步骤1；

式中：

h_c——竖向涡激共振振幅(m)；

[h_a]——竖向涡激共振的允许振幅(m)；

f_b——反对称竖向弯曲基频(Hz)；

θ_c——扭转涡激共振振幅(rad)；

[θ_a]——扭转涡激共振的允许振幅(rad)；

B——主梁全宽(m)；

f_t——对称扭转基频(Hz)；

步骤5，通过以上步骤，不断调整所述干扰索拉力，直至满足驰振稳定性、颤振稳定性和竖向涡激共振振幅、扭转涡激共振振幅要求，最终确定所述干扰索拉力。

进一步的，步骤1中初步设定的干扰索拉力满足下式：

       $\frac{{\mathrm{\γ}}_0{N}_d}{A}\≤f_d=\frac{f_k}{{\mathrm{\γ}}_R}$

式中：

γ₀——干扰索抗拉强度分项系数；

N_d——作用效应组合的轴向拉力设计值(N)；

A——干扰索的截面面积(mm²)；

f_d——干扰索抗拉强度设计值(MPa)；

f_k——干扰索抗拉强度标准值(MPa)；

γ_R——干扰索抗拉强度分项系数。

进一步的，步骤2中：

所述反对称竖向弯曲基频计算公式如下：

       $f_d=\frac{0.1}{L}\sqrt{\frac{E_c{A}_c}{m}}$

式中：

f_b——反对称竖向弯曲基频(Hz)；

m——桥面系及主缆单位长度质量(kg/m)；

E_c——主缆的弹性模量(N/mm²)；

A_c——单根主缆的截面积(m²)；

L——悬索桥的主跨跨径(m)；

所述对称扭转基频计算公式如下：

       $f_t=\frac{1}{2L}\sqrt{\frac{{\mathrm{GI}}_d+0.5256E_c{A}_c{(B_c/2)}^2}{m_d{r}^2+m_c\frac{{B_c}^2}{2}}}$

式中：

f_t——对称扭转基频(Hz)；

GI_d——主梁截面的自由扭转刚度(N·mm²)；

B_c——主缆中心距(m)；

m_d——桥面系单位长度质量(kg/m)；

m_c——单根主缆单位长度质量(kg/m)；

r——桥面板的截面惯性半径(m)。

进一步的，步骤3中：

       $V_{\mathrm{cg}}=\frac{4m{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ξ}}_s}{\mathrm{\ρH}}\·\frac{1}{C_L^{\′}+C_H}$

ω₁＝2πf_b

V_d＝K₁V₁₀

V_cr＝5f_tB

式中：

m——桥面系及主缆单位长度质量(kg/m)；

ω₁——结构一阶弯曲圆频率(rad/s)；

ξ_s——结构阻尼比；

ρ——空气密度(kg/m³)；

H——构件断面迎风宽度(m)；

C_L′+C_H——弛振力系数；

f_b——反对称竖向弯曲基频(Hz)；

K₁——风速高度变化系数；

V₁₀——基本风速(m/s)；

f_t——对称扭转基频(Hz)；

B——主梁全宽(m)。

进一步的，所述气动力参数C_L′+C_H、[h_a]和[θ_a]由设计风速计算得到。

优选的，所述气动力参数C_L′+C_H、[h_a]和[θ_a]由风洞试验得到。

本发明的有益效果为：

干扰索的设计是悬索管道桥设计中的一次技术突破，是控制管道桥风致振动的有效措施。本发明通过设置干扰索，可以提高管道桥整体的自振频率、限制主索和风索的振幅，达到增大结构阻尼的效果，避免破坏性振动(如由风引起的管道桥的发散性自激振动)的发生，提高了大跨度悬索管桥的抗风安全性。

通过调整干扰索的长度和拉力，可以调整主索和风索的自振频率和限制索系的振幅。

干扰索设置比较简单，实用性强、经济性好，比其它风致振动控制方法造价低。

附图说明

图1为本发明所述方法的步骤流程图；

图2为本发明所述方法中干扰索布置图；

图3为本发明所述方法中干扰索尺寸设计图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，包括以下步骤，如图1所示：

步骤1，建立设有干扰索的悬索管道桥有限元模型，所述干扰索将悬索管道桥主索和风索连接起来，用于限制主索和风索的振幅，增大悬索管道桥的结构阻尼；根据索系尺寸、拉力，初步设定干扰索拉力；

初步设定的干扰索拉力满足下式：

       $\frac{{\mathrm{\γ}}_0{N}_d}{A}\≤f_d=\frac{f_k}{{\mathrm{\γ}}_R}$

式中：

γ₀——干扰索抗拉强度分项系数；

N_d——作用效应组合的轴向拉力设计值(N)；

A——干扰索的截面面积(mm²)；

f_d——干扰索抗拉强度设计值(MPa)；

f_k——干扰索抗拉强度标准值(MPa)；

γ_R——干扰索抗拉强度分项系数，取2.5。

步骤2，计算悬索管道桥自振频率；所述自振频率包括反对称竖向弯曲基频和对称扭转基频；

所述反对称竖向弯曲基频计算公式如下：

       $f_d=\frac{0.1}{L}\sqrt{\frac{E_c{A}_c}{m}}$

式中：

f_b——反对称竖向弯曲基频(Hz)；

m——桥面系及主缆单位长度质量(kg/m)；

E_c——主缆的弹性模量(N/mm²)；

A_c——单根主缆的截面积(m²)；

L——悬索桥的主跨跨径(m)。

所述对称扭转基频计算公式如下：

       $f_t=\frac{1}{2L}\sqrt{\frac{{\mathrm{GI}}_d+0.5256E_c{A}_c{(B_c/2)}^2}{m_d{r}^2+m_c\frac{{B_c}^2}{2}}}$

式中：

f_t——对称扭转基频(Hz)；

GI_d——主梁截面的自由扭转刚度(N·mm²)；

B_c——主缆中心距(m)；

m_d——桥面系单位长度质量(kg/m)；

m_c——单根主缆单位长度质量(kg/m)；

r——桥面板的截面惯性半径(m)。

步骤3，根据所述自振频率，计算驰振稳定性和颤振稳定性，并进行验算比较；当V_cg≥1.2V_d且V_cr≥1.2μ_fV_d时，进行步骤4，反之，则返回步骤1；

其中，V_cg为驰振临界风速(m/s)，V_cr为颤振临界风速(m/s)，V_d为桥面高度处的设计基准风速(m/s)，μ_f为风速脉动修正系数，取值范围为1.30-1.29；

       $V_{\mathrm{cg}}=\frac{4m{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ξ}}_s}{\mathrm{\ρH}}\·\frac{1}{C_L^{\′}+C_H}$

ω₁＝2πf_b

V_d＝K₁V₁₀

V_cr＝5f_tB

式中：

m——桥面系及主缆单位长度质量(kg/m)；

ω₁——结构一阶弯曲圆频率(rad/s)；

ξ_s——结构阻尼比；

ρ——空气密度(kg/m³)；

H——构件断面迎风宽度(m)；

C_L′+C_H——弛振力系数；

f_b——反对称竖向弯曲基频(Hz)；

K₁——风速高度变化系数；

V₁₀——基本风速(m/s)；

f_t——对称扭转基频(Hz)；

B——主梁全宽(m)。

步骤4，根据所述自振频率，计算竖向涡激共振振幅和扭转涡激共振振幅，并进行验算比较，当且时，进行步骤5，反之，则返回步骤1；

式中：

h_c——竖向涡激共振振幅(m)；

[h_a]——竖向涡激共振的允许振幅(m)；

f_b——反对称竖向弯曲基频(Hz)；

θ_c——扭转涡激共振振幅(rad)；

[θ_a]——扭转涡激共振的允许振幅(rad)；

B——主梁全宽(m)；

f_t——对称扭转基频(Hz)。

步骤5，通过以上步骤，不断调整所述干扰索拉力，直至满足驰振稳定性、颤振稳定性和竖向涡激共振振幅、扭转涡激共振振幅要求，最终确定所述干扰索拉力。

进一步的，所述气动力参数C_L′+C_H、[h_a]和[θ_a]由设计风速计算得到。

优选的，所述气动力参数C_L′+C_H、[h_a]和[θ_a]由风洞试验得到。

图2为本管道悬索桥实例的桁架及索系横断面图，如图中所示，干扰索A连接风索与主索，风索B连接两根主索。图3为干扰索的制作及安装图，干扰索两头采用四个钢丝绳夹将干扰索两端制作为环状。

在本实施例中，具体实施大跨度悬索管道桥的抗风方法中，干扰索采用6×19+IWS镀锌钢丝绳制作，直径为18mm，抗拉强度为1870MPa，干扰索A长度为6.93-48.67m，干扰索B长度为2.13m。干扰索与风索及主索连接采用U形环连接索夹形式。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，建立设有干扰索的悬索管道桥的有限元模型，所述干扰索将所述悬索管道桥的主索和风索连接起来，并初步设定所述干扰索拉力；

步骤2，计算所述悬索管道桥的自振频率；

所述自振频率包括反对称竖向弯曲基频和对称扭转基频；

步骤3，根据所述自振频率，计算驰振稳定性和颤振稳定性，并进行验算比较；当V_cg≥1.2V_d且V_cr≥1.2μ_fV_d时，进行步骤4，反之，则返回步骤1；

其中，V_cg为驰振临界风速，V_cr为颤振临界风速，V_d为桥面高度处的设计基准风速，μ_f为风速脉动修正系数；

步骤4，根据所述自振频率，计算竖向涡激共振振幅和扭转涡激共振振幅，并进行验算比较，当且时，进行步骤5，反之，则返回步骤1；

式中：

h_c——竖向涡激共振振幅；

[h_a]——竖向涡激共振的允许振幅；

f_b——反对称竖向弯曲基频；

θ_c——扭转涡激共振振幅；

[θ_a]——扭转涡激共振的允许振幅；

B——主梁全宽；

f_t——对称扭转基频；

步骤5，通过以上步骤，不断调整所述干扰索拉力，最终确定所述干扰索拉力。

2.根据权利要求1所述的用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，其特征在于，步骤1中初步设定的干扰索拉力满足下式：

$\frac{{\mathrm{\γ}}_0{N}_d}{A}\≤f_d=\frac{f_k}{{\mathrm{\γ}}_R}$

式中：

γ₀——干扰索抗拉强度分项系数；

N_d——作用效应组合的轴向拉力设计值；

A——干扰索的截面面积；

f_d——干扰索抗拉强度设计值；

f_k——干扰索抗拉强度标准值；

γ_R——干扰索抗拉强度分项系数。

3.根据权利要求1所述的用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，其特征在于，步骤2中，所述反对称竖向弯曲基频计算公式如下：

$f_b=\frac{0.1}{L}\sqrt{\frac{E_c{A}_c}{m}}$

式中：

f_b——反对称竖向弯曲基频；

m——桥面系及主缆单位长度质量；

E_c——主缆的弹性模量；

A_c——单根主缆的截面积；

L——悬索管道桥的主跨跨径；

所述对称扭转基频计算公式如下：

$f_t=\frac{1}{2L}\sqrt{\frac{{\mathrm{GI}}_d+0.5256E_c{A}_c{(B_c/2)}^2}{m_d{r}^2+m_c\frac{{B_c}^2}{2}}}$

式中：

f_t——对称扭转基频；

GI_d——主梁截面的自由扭转刚度；

B_c——主缆中心距；

m_d——桥面系单位长度质量；

m_c——单根主缆单位长度质量；

r——桥面板的截面惯性半径。

4.根据权利要求1所述的用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，其特征在于，步骤3中，

$V_{\mathrm{cg}}=\frac{4m{\mathrm{\ω}}_1{\mathrm{\ξ}}_s}{\mathrm{\ρH}}\·\frac{1}{C_L^{\′}+C_H}$

ω₁＝2πf_b

V_d＝K₁V₁₀

V_cr＝5f_tB

式中：

m——桥面系及主缆单位长度质量；

ω₁——结构一阶弯曲圆频率；

ξ_s——结构阻尼比；

ρ——空气密度；

H——构件断面迎风宽度；

C′_L+C_H——弛振力系数；

f_b——反对称竖向弯曲基频；

K₁——风速高度变化系数；

V₁₀——基本风速；

f_t——对称扭转基频；

B——主梁全宽。

5.根据权利要求4所述的用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，其特征在于，所述C′_L+C_H、[h_a]和[θ_a]由设计风速计算得到。

6.根据权利要求4所述的用于大跨度悬索管道桥的抗风方法，其特征在于，所述C′_L+C_H、[h_a]和[θ_a]由风洞试验得到。