南京大勝關長江大橋鋼吊桿兩端連接渦振疲勞性能的仿真分析

方 興，白 玲，劉 磊

(中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

南京大勝關長江大橋鋼吊桿兩端連接渦振疲勞性能的仿真分析

方 興，白 玲，劉 磊

(中國鐵道科學研究院 鐵道科學技術研究發展中心，北京 100081)

建立了南京大勝關長江大橋主橋鋼桁拱吊桿整體及兩端連接節點局部的有限元模型，分別對H形和切角矩形兩種截面吊桿在渦振作用下節點處構造細節的疲勞性能進行了仿真分析，研究了不同截面形式吊桿兩端節點的疲勞性能。研究結果表明鋼拱橋吊桿渦振時，其兩端連接節點極易出現疲勞損傷甚至破壞，且一旦發生渦振，切角矩形截面吊桿端節點比H形截面吊桿端節點更易出現疲勞破壞。

拱橋 鋼吊桿 渦振 疲勞

鋼系桿拱橋、鋼中承式和下承式拱橋是跨長100～300 m左右范圍內最常用的橋式，因此，目前已建和在建的鋼拱橋數量較多。但是，工程實踐表明，在陣風和低風速下，這類橋梁的垂直鋼吊桿易發生渦激振動，雖然渦振不會象弛振一樣造成災難性破壞，但它的發生具有風速低、頻度大、兼有自激和強迫振動特性，會對結構造成疲勞損傷，導致上下連接發生疲勞裂紋甚至斷裂。如美國的 Tacony Palmyra橋和 Commodore Barry 橋［1］，日本的向島橋和馬下橋［2］均發生了吊桿渦振疲勞斷裂。我國廣東東平大橋在竣工前發生吊桿渦振致使13根吊桿在上下端高強螺栓連接處發生疲勞裂紋。因此，研究大跨度鋼拱橋吊桿在渦振下兩端連接的疲勞性能是關系到橋梁結構安全的重大問題。

本文以京滬高速鐵路南京大勝關長江大橋主橋為例，分析其主橋鋼桁拱吊桿渦振時兩端連接節點處的疲勞性能，研究思路如下：①利用MIDAS.Civil建立最長吊桿整體模型，把該吊桿風振仿真分析所得的渦振振幅最大時對應風速下的吊桿振幅時程作為吊桿所受的外荷載，計算吊桿兩端連接處的內力時程，并把這一內力時程作為疲勞荷載;②利用MIDAS.FEA建立吊桿與主梁連接節點的局部模型，將上一步所得疲勞荷載施加到局部模型上，得到該節點各個位置處的疲勞應力歷程和疲勞應力譜;③定義連接節點構造細節的S—N曲線，根據Miner線性累計損傷法則計算其疲勞損傷度或疲勞壽命。

1 橋梁概況

南京大勝關大橋主橋跨度布置為(108+192+2×336+192+108)m，雙聯拱連續鋼桁梁位于主橋4#～10#墩間，該聯鋼桁梁由三片主桁架組成，每兩片主桁間的中心距均為15.0 m，在兩邊桁的外側，各外挑5.2 m的懸臂托架，結構總寬40.4 m。全聯桁架的兩端240 m為平弦桁架，高16.0 m，節間長度12.0 m的N形桁式。兩個336 m的主跨為鋼桁拱連續梁，拱的矢高84.2 m，矢跨比約1/4，拱頂桁高12.0 m，吊桿最大長度近60.0 m。鐵路橋面設在平弦的下弦和拱桁的系桿上。三個主墩的兩側各60 m范圍內為15 m節間，其余的節間長均為12 m，豎桿呈豎直設置。大勝關大橋的總體布置立面見圖1。

圖1 南京大勝關大橋主橋立面(單位：cm)

2 有限元模型

首先利用MIDAS.Civil建立大勝關大橋鋼桁拱最長吊桿整體有限元模型，見圖2。用來計算最長吊桿在風振振幅時程作用下吊桿兩端連接處的內力時程。為避免邊界條件的影響，該有限元模型建立最長吊桿兩側各4個節間(共8個節間)的主橋結構。吊桿截面形式選擇兩種，一種是最終圖紙選用的切角矩形截面吊桿，另外一種是方案比選階段采用過的H形截面吊桿，截面詳細尺寸見圖3［3］。模型采用空間梁單元，材料為Q370鋼，邊界條件為在主梁和主拱端部各節點固結，約束所有平移和轉動自由度。

圖2 吊桿整體有限元模型

圖3 吊桿截面尺寸(單位：cm)

然后，利用MIDAS.FEA建立吊桿與主桁下弦桿連接節點的局部詳細有限元模型，見圖4。模型全部采用板單元，材料為Q370鋼。局部模型中吊桿高度8.5 m(吊桿上端面至下弦桿頂面距離)，下弦桿長7.0 m，模型在下弦端部全部固結。

圖4 吊桿與主桁下弦桿連接節點的局部模型

3 計算荷載及荷載組合

吊桿渦振特性與風的來流方向密切相關，這里不作全面仿真，重點對順橋向來風橫橋渦振時吊桿端節點的疲勞特性進行仿真分析。

利用文獻［4］仿真分析結果，取吊桿順橋向來風橫橋向渦振時振幅響應最大時對應風速下的位移時程作為強制位移，施加到吊桿高度一半處。另外，根據吊桿渦振方向上的1階自振振型，把吊桿高度一半處的位移時程按1階振型模態比例縮小再施加到吊桿高度1/4和3/4處。文獻［4］給出的吊桿高度一半處橫橋向渦振位移時程曲線見圖5。

圖5 吊桿振幅響應最大時對應風速下的位移時程曲線

4 仿真結果及分析

利用MIDAS.FEA對吊桿局部節點模型進行疲勞分析，根據Miner線形損傷累計法則計算一次荷載歷程下結構的疲勞損傷，計算結果如下(以下節點疲勞損傷云圖中損傷度單位均為%)。

4.1 H形吊桿端部節點疲勞性能仿真

初步分析結果表明，結構應力最大的部位位于靠近拼接板的吊桿翼緣，因此應力疲勞損傷計算選用的S—N曲線，S是應力幅，N為作用次數，曲線為《鐵路橋梁鋼結構設計規范》表3.2.7—2構件或連接基本形式及疲勞容許應力幅類別的第Ⅴ類：lgN+3lgσi=12.42，σi是應力幅。此時，順橋向來風橫橋向振動時，一次荷載歷程下H形吊桿端部節點疲勞損傷見圖6。

圖6 H形吊桿連接節點疲勞損傷云圖

計算數據表明，H形截面吊桿端節點在順橋向來風橫橋向振動時最大疲勞損傷為1.1×10－4(%)，發生在拼接板與吊桿翼緣連接處的吊桿翼緣，即理論上經9.1×105次計算的風荷載作用(總時間約737 d)即達到疲勞破壞。

4.2 切角矩形吊桿端部節點疲勞性能仿真

初步分析結果表明，結構應力最大的部位位于靠近拼接板的吊桿翼緣，因此應力疲勞損傷計算選用的S—N曲線為《鐵路橋梁鋼結構設計規范》表3.2.7—2構件或連接基本形式及疲勞容許應力幅類別的第Ⅴ類：lgN+3lgσi=12.42。此時，順橋向來風橫橋向振動時，一次荷載歷程下切角矩形吊桿端部節點疲勞損傷見圖7。

計算數據表明，切角矩形截面吊桿端節點在順橋向來風橫橋向振動時的最大疲勞損傷為1.1×10－2(%)，發生在弧形節點板的拼接板與吊桿翼緣連接處的吊桿翼緣，即理論上經9.0×103次計算的風荷載作用(總時間約8.3 d)即達到疲勞破壞。

5 結論

南京大勝關長江大橋鋼吊桿渦振時兩端連接節點疲勞性能的仿真分析表明，渦振時鋼吊桿兩端連接節點極易出現疲勞損傷甚至破壞。此外，文獻［4］的研究表明，與H形截面吊桿相比切角矩形截面吊桿發生渦振的鎖定風速區間范圍較窄，在抗渦振上具有一定的優勢，但必須注意的是本文仿真分析結果表明，切角矩形截面吊桿一旦發生渦振，其端節點比H形截面吊桿端節點更易出現疲勞破壞。因此，對兩種截面形式的吊桿，都必須采取有效的止振措施以防止渦振而引發的疲勞破壞。

［1］李永君.大跨度橋梁渦振二維計算模型及其試驗研究［D］.上海：同濟大學碩士學位論文，2004.

［2］日本鋼結構協會編.鋼構造物疲勞設計指針及解說［M］.東京：技報堂出版社，1993.

［3］西南交通大學風工程試驗研究中心.大勝關大橋吊桿減振制振氣動力措施風洞試驗研究［R］.成都：西南交通大學，2006.

［4］中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心.鋼拱橋吊桿風振的仿真分析及合理設計［R］.北京：中國鐵道科學研究院鐵道科學技術研究發展中心，2009.

U441+.4

A

1003-1995(2011)03-0001-03

2010-08-20;

2010-12-25

方興(1980— )，男，江西萬年人，助理研究員，博士。

(責任審編 王 紅)