一种大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法，它在已有单幅桥梁静风稳定分析方法的基础上，引入了对双幅桥梁上游和下游主梁之间气动干扰效应的考虑。在计算流体动力学计算或风洞试验中把上游和下游两个桥梁主梁断面同时纳入模型，可以识别出计入气动干扰效应的桥梁主梁断面的静三分力系数。利用迭代的方法采用上游和下游主梁断面的静三分力系数分别计算上游和下游桥梁的静风稳定。通过该方法可以实现平行双幅桥梁的静风稳定精细化分析，更准确地获得上游和下游桥梁的静风失稳临界风速，以及各级风速下的内力和位移。
【专利说明】-种大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于桥梁抗风设计和研究领域，具体设及一种大跨度平行双幅桥梁静风稳 定分析方法。
【背景技术】
[0002] 随着交通量的日益增加，桥梁必须具有更宽的桥面和更多的车道才能满足通行需 求。为避免桥面过宽带来的结构受力（主梁横向弯矩过大，崎变和剪力滞等）和美观问题， 实际工程中经常会采用平行双幅桥梁。平行双幅桥可分为两类；第一类是同时新建的平行 双幅桥，第二类在已有桥梁附近扩建一座类似的桥梁从而构成平行双幅桥。近年来，平行双 幅桥W其更大的通行能力越来越多地被设计应用，如美国的化ed Hartman大桥和化coma 大桥，日本的尾道大桥和名港西大桥W及我国广东省佛山市平胜大桥和山东省青岛海湾红 岛航道桥等等。
[0003] 随着设计理论和施工技术的不断进步，桥梁结构呈现出大跨化和轻柔化的发展趋 势，结构刚度和阻巧不断降低，该使得大跨桥梁结构对风的敏感性更加突出。风对桥梁的作 用包括静力作用和动力作用，风致静力作用又包括静风荷载作用与风致静力失稳，与动力 失稳相比，静力失稳发生前没有任何先兆，突发性强，破坏性更大。因此，风致静力作用具有 重要的研究价值。
[0004] 静风失稳是指结构在给定风速作用下，主梁发生弯曲和扭转变形，一方面改变了 结构刚度，另一方面因结构姿态的变化改变了风荷载的大小，并反过来增大结构的变形，最 终导致结构失稳的现象。随着风速的增长，当结构变形引起的抗力增量小于外荷载增量时， 就会发生静风失稳。静风失稳是静风荷载与结构变形禪合作用的一种体现。静风失稳危及 桥梁安全，应绝对避免其发生。
[0005] 与传统的单幅桥梁类似，大跨度平行双幅桥梁同样存在静风失稳的可能性，需进 行静风稳定分析。但与传统的单幅桥梁的不同之处在于，双幅桥面之间净间距一般不大，气 流流经时会在上下游桥面之间产生复杂的气动干扰效应，可能对大桥的静力和动力抗风性 能产生一定的影响。
[0006] 因此，需要一种大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法W解决上述问题。
【发明内容】
[0007] 发明目的；本发明针对现有技术中没有大跨度平行双幅桥梁的缺陷，提供一种大 跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法。
[000引技术方案；为解决上述技术问题，本发明的大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方 法采用如下技术方案：
[0009] 一种大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法，所述平行双幅桥梁包括相互平行的 上游桥梁和下游桥梁，包括W下步骤：
[0010] 1)、首先识别出上游桥梁主梁断面的静S分力系数；
[0011] 2)、建立上游桥梁的有限元模型，并在自重作用下非线性求解；
[0012] 3)、提取上游桥梁的主梁单元扭转角，计算该状态下的静=分力系数，此时，主梁 的有效攻角均等于初始攻角a。；
[0013] 4)、设定初始风速V。和风速步长AV，当前风速Vi= V。，并设定迭代次数上限Nm";
[0014] 5)、计算上游桥梁的主梁各单元的有效攻角a，然后提取上游桥梁主梁各单元的 静=分力系数，所述静=分力系数包括在有效攻角a下主梁的阻力系数、升力系数和升力 矩系数；
[0015] 6)、在当前风速Vi下，计算作用在主梁单位长度的横向风荷载Ph、竖向风荷载Pv和 扭转力矩Pm，其中，横向风荷载Ph、竖向风荷载Pv和扭转力矩P M的具体表达式如下：
[0016] Ph= pVi2CH(a)h/2
[0017] Pv= pVX(a)b/2
[0018] P"= pVi'C"(a)bV2
[0019] 式中，CH(a)、Cv(a)和Cm(〇)分别表示在有效攻角a下主梁的阻力系数、
[0020] 升力系数和升力矩系数；h和b分别表示主梁的侧向投影高度和宽度；P为空气 密度；Vi为当前风速；
[0021] 7)、在上游桥梁的主梁各单元上施加静风荷载，进行桥梁结构几何非线性求解，获 得上游桥梁的主梁各单元扭转角0 1，根据下式判断主梁各单元扭转角0 1的欧几里得范数 是否小于等于允许值e k;
[0022]
【权利要求】
1. 一种大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法，所述平行双幅桥梁包括相互平行的上 游桥梁和下游桥梁，其特征在于，包括以下步骤： 1) 、首先识别出上游桥梁主梁断面的静三分力系数； 2) 、建立上游桥梁的有限元模型，并在自重作用下非线性求解； 3) 、提取上游桥梁的主梁单元扭转角，计算该状态下的静三分力系数，此时，主梁的有 效攻角均等于初始攻角aM 4) 、设定初始风速Vci和风速步长AV，当前风速Vi=Vd，并设定迭代次数上限Nmax; 5) 、计算上游桥梁的主梁各单元的有效攻角a，然后提取上游桥梁主梁各单元的静三 分力系数，所述静三分力系数包括在有效攻角a下主梁的阻力系数、升力系数和升力矩系 数； 6) 、在当前风速\下，计算作用在主梁单位长度的横向风荷载Ph、竖向风荷载Pv和扭转 力矩PM，其中，横向风荷载Ph、竖向风荷载Pv和扭转力矩PM的具体表达式如下： Ph=PVi2Ca(Q)K^ Pv=PVi2Cv(a)b/2 Pm=9N,2C^a)b2/2 式中，CH(a)、Cv(a)和CM(a)分别表示在有效攻角a下主梁的阻力系数、升力系数和 升力矩系数；h和b分别表示主梁的侧向投影高度和宽度；P为空气密度；Vi为当前风速； 7) 、在上游桥梁的主梁各单元上施加静风荷载，进行桥梁结构几何非线性求解，获得上 游桥梁的主梁各单元扭转角Qi，根据下式判断主梁各单元扭转角Qi的欧几里得范数是否 小于等于允许值ek:
式中，Na为主梁的单元总数；0i为上游桥梁的主梁各单元扭转角；i为当前荷载步编 号；j为梁单元序号；为允许值； 8) 、如果欧几里得范数大于允许值ek，则重复步骤5)-7);如果迭代次数达到迭代次数 上限Nmax，则当前风速难以收敛，此时令当前风速Vi+1 =VrAV，然后缩短风速步长，返回步 骤5)，重复步骤5)-7);如果风速步长小于预定值，则计算结束；如果欧几里得范数小于允 许值ek，则当前风速计算结果收敛，输出计算结果，其中，计算结果中包括桥梁结构变形参 数，此时令当前风速Vi+1=Vi+AV，重复步骤5)-7); 9) 、根据步骤8)得到的计算结果，得到静风失稳临界风速。
2. 如权利要求1所述的大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法，其特征在于，步骤7) 中采用牛顿-拉夫森迭代法进行桥梁结构几何非线性求解。
3. 如权利要求1所述的大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法，其特征在于，步骤7) 中允许值ek为0.005。
4. 如权利要求1所述的大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法，其特征在于，步骤9) 中确定静风失稳临界风速包括以下步骤：首先根据桥梁结构变形与风速的关系，绘制桥梁 结构变形-风速曲线，然后根据桥梁结构变形-风速曲线，得到静风失稳临界风速。
5.如权利要求1所述的大跨度平行双幅桥梁静风稳定分析方法，其特征在于，所述上 游桥梁由下游桥梁代替。
【文档编号】G06F17/50GK104504243SQ201410724047
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】张文明 申请人:东南大学