法律状态公告日
法律状态信息
法律状态
2019-07-30
专利权的转移 IPC(主分类):E01D11/02 登记生效日:20190710 变更前: 变更后: 变更前: 变更后: 申请日:20150427
专利申请权、专利权的转移
2019-07-30
专利权人的姓名或者名称、地址的变更 IPC(主分类):E01D11/02 变更前: 变更后: 变更前: 变更后: 申请日:20150427
专利权人的姓名或者名称、地址的变更
2016-06-15
授权
授权
2016-05-11
专利申请权的转移 IPC(主分类):E01D11/02 登记生效日:20160422 变更前: 变更后: 申请日:20150427
专利申请权、专利权的转移
2015-09-02
实质审查的生效 IPC(主分类):E01D11/02 申请日:20150427
实质审查的生效
2015-08-05
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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Vcg≥1.2Vd且Vcr≥1.2μfVd时,进行步骤4,反之,则返回步骤1;
其中,Vcg为驰振临界风速(m/s),Vcr为颤振临界风速(m/s),Vd为桥面高度处的设计基准风速(m/s),μf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
式中:
hc——竖向涡激共振振幅(m);
[ha]——竖向涡激共振的允许振幅(m);
fb——反对称竖向弯曲基频(Hz);
θc——扭转涡激共振振幅(rad);
[θa]——扭转涡激共振的允许振幅(rad);
B——主梁全宽(m);
ft——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:
>
式中:
γ0——干扰索抗拉强度分项系数;
Nd——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);
fd——干扰索抗拉强度设计值(MPa);
fk——干扰索抗拉强度标准值(MPa);
γR——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:
>
式中:
fb——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);
Ec——主缆的弹性模量(N/mm2);
Ac——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:
>
式中:
ft——对称扭转基频(Hz);
GId——主梁截面的自由扭转刚度(N·mm2);
Bc——主缆中心距(m);
md——桥面系单位长度质量(kg/m);
mc——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:
>
ω1=2πfb
Vd=K1V10
Vcr=5ftB
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);
ξs——结构阻尼比;
ρ——空气密度(kg/m3);
H——构件断面迎风宽度(m);
CL′+CH——弛振力系数;
fb——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);
ft——对称扭转基频(Hz);
B——主梁全宽(m)。
进一步的,所述气动力参数CL′+CH、[ha]和[θa]由设计风速计算得到。
优选的,所述气动力参数CL′+CH、[ha]和[θa]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:
>
式中:
γ0——干扰索抗拉强度分项系数;
Nd——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);
fd——干扰索抗拉强度设计值(MPa);
fk——干扰索抗拉强度标准值(MPa);
γR——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:
>
式中:
fb——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);
Ec——主缆的弹性模量(N/mm2);
Ac——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:
>
式中:
ft——对称扭转基频(Hz);
GId——主梁截面的自由扭转刚度(N·mm2);
Bc——主缆中心距(m);
md——桥面系单位长度质量(kg/m);
mc——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Vcg≥1.2Vd且Vcr≥1.2μfVd时,进行步骤4,反之,则返回步骤1;
其中,Vcg为驰振临界风速(m/s),Vcr为颤振临界风速(m/s),Vd为桥面高度处的设计基准风速(m/s),μf为风速脉动修正系数,取值范围为1.30-1.29;
>
ω1=2πfb
Vd=K1V10
Vcr=5ftB
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);
ξs——结构阻尼比;
ρ——空气密度(kg/m3);
H——构件断面迎风宽度(m);
CL′+CH——弛振力系数;
fb——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);
ft——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
式中:
hc——竖向涡激共振振幅(m);
[ha]——竖向涡激共振的允许振幅(m);
fb——反对称竖向弯曲基频(Hz);
θc——扭转涡激共振振幅(rad);
[θa]——扭转涡激共振的允许振幅(rad);
B——主梁全宽(m);
ft——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CL′+CH、[ha]和[θa]由设计风速计算得到。
优选的,所述气动力参数CL′+CH、[ha]和[θa]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。
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