大跨度悬索桥气动稳定性随跨径演变规律

摘要

气动失稳是大跨度悬索桥设计中的关注重点之一。为了在悬索桥初步设计阶段，给主梁断面形式和跨径长度的确定提供参考，对主跨1000 m～5000 m悬索桥开展气动稳定性分析。基于跨径从888 m（虎门大桥）～1991 m（明石海峡大桥）的悬索桥动力特性，拟合在1000 m～5000 m跨径范围内主梁侧弯、竖弯与扭转基频随跨径增长的变化趋势。根据该趋势构建主跨介于1000 m～5000 m的双塔单跨悬索桥有限元模型，其中垂跨比为1/11。选取常用的流线形单箱、格构式桁架、窄开槽双箱与宽开槽双箱4种主梁断面，将主梁宽度统一为36 m以排除桥宽对气动稳定性的影响。结合风洞试验测得的静力三分力系数和颤振导数，采用考虑结构几何非线性和气动荷载非线性的三维非线性静风稳定分析方法及三维全模态频域颤振分析方法求解悬索桥在0°与±3°攻角的静风失稳临界风速和颤振临界风速。分析结果表明，跨径从1000 m增加到3000 m左右时静风失稳临界风速有下降趋势，在3000 m～5000 m时静风失稳风速随跨径增大而上升。颤振临界风速则随跨径不断降低，与主梁基频的衰减规律相似。对不同断面外形气动稳定性的比较显示，流线形单箱和格构式桁架悬索桥的最低静风失稳临界风速低于实测最大阵风风速的80 m/s；跨径超过2000 m时，四种断面悬索桥的颤振临界风速均小于70 m/s。研究结果表明，对于本文构建的悬索桥而言，跨径3500 m附近的流线形单箱和格构式桁架悬索桥有可能在现实中发生静风失稳，而颤振在大跨度悬索桥抗风设计中是控制因素，且颤振问题随跨径增大而越发严峻。