抗风作业.doc

HUNAN UNIVERSITY 桥梁风工程作业 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 老 师： 陈政清 教授 2014年 7 月 3日 节段模型风洞试验设计 题目： 矩形截面，3跨4车道钢连续梁，宽20m高4m，跨径比0.7:1:0.7，中跨跨径为152m(84×3=252m200m,252-100=152m)。参考类似桥梁，拟定桥梁的单位长度质量以及截面的刚度值。桥址处基本风速为30m/s，桥面离水面高度为84m。 要求： 基于HD-2风洞的3m(宽)×2.5m(高)试验段完成如下作业： 1.计算桥梁的动力特性，选出一对振型相匹配的的竖向模态和扭转模态； 2.计算这一对模态的模态质量； 3.计算桥梁的设计风速和颤检验风速； 4.选定合适的额几何缩尺比和风速比，设计颤振试验段的节段模型和悬挂系统。 全桥结构动力特性分析 某钢连续梁桥跨径为106.4m+152m+106.4m，该桥箱梁截面简化图如图1，其中顶板厚10mm，底板厚10mm，腹板厚16mm，U型加劲肋等构造细节在图中未画出。截面的特性计算结果如图2所示，并参考类似桥梁拟定。利用ANSYS软件建立该桥的整体有限元模型如图3，其中，主梁采用梁单元Beam4使用单梁法模拟，横向使用刚臂保证箱梁的稳定性。中跨采用三向和扭转约束支座，其余为两向约束支座。对上述有限元模型进行动力特性分析，提取振动模态。 图1 钢箱梁截面尺寸 图2 箱梁截面特性计算结果 图3 动力特性分析全桥有限元计算模型 全桥动力特性分析过程为：先进行成桥恒载作用下的静力分析，然后进行模 态分析，最后提取结构振动模态。模态分析的计算模态数为前20 阶，提取前10阶模态分析结果。表1及图4-图14分别列出了模型前10阶振型图。考虑到抗风性能研究中主要关心的是加劲梁的一阶竖弯和一阶扭转，因此在本项目的节段模型试验研究中取全桥的第1阶竖弯和第5阶扭转模态分析。 图4 第1阶振型 图5 第2阶振型 图6 第3阶振型 图7 第4阶振型 图8 第5阶振型 图9 第6阶振型 图10 第7阶振型 图11 第8阶振型 图12 第9阶振型 图13 第10阶振型 表1 连续梁桥前10阶的振型 阶数 频率(Hz) 振型描述 1 0.8318 主梁一阶 2 1.4756 主梁一阶 3 1.7399 主梁 4 2.7575 主梁 5 3.0836 主梁一阶 6 3.0850 主梁二阶反对称 7 4.8600 主梁 8 4.9721 主梁 9 5.0784 主梁 10 5.6214 主梁三阶 模态质量的确定 在进行节段模型质量系统模拟时应使用考虑全桥振动效应和振动空间特性的加劲梁等效质量和等效质量惯性矩。加劲梁等效质量和等效质量惯性矩可按下式计算： （1） （2） 式中：为各阶固有模态对应的广义质量； 为i方向的振型位移值； 为各阶模态加劲梁x处的转角振型值； L加劲肋长度。 模态质量的计算的命令流见后附录，计算结果如表2。 表2 桥梁节段模型设计相关模态参数 序号 频率(Hz) 振型描述 等效质量(Kg/m) 等效质量惯性矩(Kg?m2/m) 2 0.83183 主梁一阶对称竖弯 4995.36 ━ 7 3.0836 主梁一阶对称扭转 ━ 180902.00 设计风速及颤振检验风速 设计风速的计算： 查阅《JTG.T-D60-01-2004.公路桥梁抗风设计规范》相关条目如下： 可计算设计风速vd : 颤振检验风速的计算： 查阅《JTG.T-D60-01-2004.公路桥梁抗风设计规范》 取连续梁桥的152m中跨跨径检验：查表得到， 缩尺比的确定 大桥加劲梁节段模型测振试验主要针对加劲梁标准断面进行，包括颤振试验和涡振试验。颤振试验主要有两个目的：一是在风洞试验中，直接测定颤振临界风速，评价全桥颤振稳定性；二是通过节段模型风洞试验识别出与气动阻尼及气动刚度相关的颤振导数，以便进行桥梁颤振稳定性分析