中央扣對人行懸索橋抗風性能的改善

王宜航 周丹丹

摘 要：以國內某山區人行懸索橋為研究對象，針對其柔度大，抗風性能差的特點，利用有限元軟件分析了增設中央扣以及不同中央扣布置方案對結構抗風穩定性的改善效果。研究結果表明：增設中央扣，提高了結構整體剛度，而且不同類型的設置方式，對主梁約束作用不一樣，對結構抗風穩定性的提高有所差異，剛性比柔性中央扣對結構抗風穩定性的改善更有利，其中，單聯剛性中央扣對結構抗風最有利。

關鍵詞：人行懸索橋;柔度大;中央扣;抗風性能

中圖分類號：U448.25文獻標識碼：A

0 引言

本文結合工程實例，借助有限元分析軟件建立了空間結構模型，然后在主跨跨中分別布置單聯、三聯、五聯柔性和剛性中央扣，通過研究設置中央扣對結構扭轉剛度的改變，來分析中央扣對所研究的人行懸索橋抗風穩定性的改善效果，同時對比了柔性和剛性中央扣及其布置方式在改善效果方面存在的差異性。

1 研究背景

人行懸索橋自重輕、結構柔，抗風穩定性差，在極端大風環境中容易發生失穩現象。近年來，國內外專家學者針對懸索橋抗風措施進行了大量研究，并取得了一些成果。白樺等[1]通過數值計算和風洞試驗研究了45°抗風纜、一聯中央扣、降低矢跨比等抗風措施對國內某人行懸索橋抗風性能的改善效果。葛耀君[2]通過有限元分析和節段模型風洞試驗探討了潤揚長江大橋和舟山西堠門大橋的顫振性能及其控制措施。何晗欣等[3]通過有限元計算和風洞模型試驗，分別研究了抗風纜、橋面開孔、中央扣等抗風措施對新疆賽吾迭格爾大橋顫振性能的改善。廖海黎等[4]研究了固定翼板和主動控制翼板，結果表明，附設空氣動力擾流板可以有效改善懸索橋抗風穩定性。陳政清等[5]研究了舟山西堠門大橋長細吊索風振問題抗風減振方法。鞏明等[6]利用ANSYS有限元軟件通過不斷迭代的方法研究了某人行懸索橋主纜及抗風纜找形方法，對其設置抗風纜后有效改善了該懸索橋抗風性能。宋錦忠等[7]探討了改善橋梁抗風性能的幾種氣動措施及其作用機理。姜天華[8]從空氣動力學措施、機械措施、結構措施三方面，針對大跨度橋梁抗風措施數十年來的研究進展，進行了系統性回顧。

2 工程背景

某山區人行懸索橋，結構形式雙塔三跨，橋跨布置（30+183+61）m，橋面寬4.4 m。加勁梁采用縱橫梁體系，由縱梁、橫梁、斜撐連接而成，材料均為Q345鋼，按每3 m為一個標準節段，與吊桿相連。吊桿鋼絲繩Φ40 mm，材料為Wire 1 770，吊桿間距順橋向3 m。空間索面主纜垂跨比1/10，塔頂處間距6.0 m，跨中處間距4.4 m，材料為Φ50 mm的ZAA6-37WS-IWR1870鋼絲繩，每根索布置7根平行鋼絲束。門架式橋塔為變截面結構，塔頂尺寸1 m×1.8 m，塔底尺寸1 m×3 m，按線性規律變化，為混凝土實心結構，高度25 m。總體布置見圖1。

3 有限元模型建立

3.1 材料參數

結構模型材料參數取值見表1。

3.2 邊界條件

不改變結構力學性能的同時，簡化模型邊界條件，具體處理方式見表2。在實際結構中，兩橋塔下橫梁位置處的加勁梁并不連續，因此，建模時將其分成三片，每片按照簡支梁來考慮，邊界條件處理為：一邊固定，一邊鉸接。

（2）×：約束該方向自由度;○：放松該方向自由度;※：在剛性連接中約束該方向自由度。

3.3 模型建立

簡化處理模型邊界條件，確保實際結構的結構形式、設計要點兩方面不發生改變。以中跨跨中的外側點位作為坐標原點，依據材料、荷載參數，建立有限元空間結構模型。全橋模型如圖2所示。

4 動力特性計算

借助Midas/Civil 2015有限元軟件進行模態分析，采用一致質量矩陣模式，提取結構前10階模態，前10階頻率值、振型分布特點見表3。

由表3計算結果，可以發現：

該人行懸索橋第一階自振頻率為0.245 2 Hz，表明結構柔度較大，側向抗彎剛度較弱;結構正對稱扭彎頻率比（一階正對稱扭轉頻率與一階正對稱豎彎頻率的比值）較低，數值為1.38，說明結構抗扭剛度弱，抗風性能差，需要對其采取抗風措施。

5 中央扣對抗風性能改善

5.1 中央扣布置方案

在主跨跨中分別布置單聯、三聯、五聯柔性和剛性中央扣，以驗證中央扣對所研究的人行懸索橋抗風穩定性的改善效果，同時比較柔性和剛性中央扣及其布置方式對該橋抗風穩定性的改善效果，工況一到工況六分別為：單聯柔性中央扣、單聯剛性中央扣、三聯柔性中央扣、三聯剛性中央扣、五聯柔性中央扣、五聯剛性中央扣，其中單聯、三聯、五聯中央扣布置位置和布置形式如圖3～圖5所示。

5.2 不同方案抗風性能分析

利用有限元軟件計算并提取結構前30階頻率和振型，六種中央扣布置工況下結構自振特性與原方案對比見表4。原方案和六種中央扣布置工況典型基頻對比見圖6。

由表4和圖6可知：

（1）增設中央扣較原方案而言，一階反對稱豎彎頻率提高明顯，工況一增加最少，增加23.1%，工況五增加最多，增加47.3%，且基本呈現上升趨勢，原因在于中央扣使得主纜和加勁梁于跨中連接，起到限制縱向位移的作用，結構整體剛度因此得到提高。

（2）設置中央扣后，結構反對稱抗扭剛度增加，一階反對稱扭轉振型晚一階出現，一階反對稱扭轉頻率較原方案增加明顯，工況六增加最多，增加45.8%，工況一增加最少，增加20%。

（3）設置中央扣后，除工況一外，結構一階正對稱扭轉頻率略有提高，工況六提高最大，提高近9%。

（4）在低階模態中，不同振型對中央扣敏感程度不一樣，一階反對稱扭轉振型最為敏感，一階反對稱豎彎振型次之，一階正對稱側彎振型最不敏感。

（5）設置中央扣會使得結構頻率有所提高，對結構抗風有利。而且，不同類型的設置方式，對主梁約束的作用不一樣，對結構抗風穩定性的提高有所差異。

正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比能夠正確反映出結構的抗風穩定性，二者取值越大，對結構抗風越有利。原方案和六種工況扭彎頻率比見表5。原方案和六種工況扭彎頻率比變化趨勢見圖7。

由表5和圖7可知：

（1）工況二的正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比最大，工況五的正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比最小，表明工況二單聯剛性中央扣對結構抗風最有利，同時節約材料。

（2）工況四的三聯剛性中央扣正對稱扭彎頻率比和反對稱扭彎頻率比次之，工況六的五聯剛性中央扣正對稱扭彎頻率比第三，反對稱扭彎頻率比略小于原方案，表明剛性中央扣相較柔性中央扣而言，對結構抗風穩定性的提高更有利，建議在提高人行懸索橋抗風穩定性時，相較柔性中央扣而言優先選用剛性中央扣。

6 結論

（1）增設中央扣的各工況結構一階反對稱豎彎頻率和一階反對稱扭轉頻率明顯提高，而且一階反對稱扭轉振型晚一階出現;在低階模態，不同振型對中央扣敏感程度不一樣。

（2）設置中央扣能夠改善人行懸索橋抗風性能，并且不同的布置方式，提高效果不同，剛性比柔性中央扣在改善抗風性能上更有利，單聯剛性中央扣改善效果相較而言最佳。

參考文獻：

[1]白樺，李德鋒，李宇，等.人行懸索橋抗風性能改善措施研究[J].公路，2012（12）：1-6.

[2]葛耀君.大跨度橋梁抗風的技術挑戰與精細化研究[J].工程力學，2011（S2）：11-23.

[3]何晗欣，劉健新.大跨窄懸索橋抗風措施及其優化研究[J].公路交通科技，2010（3）：93-97+102.

[4]廖海黎，奚紹中.改善大跨度橋梁抗風穩定性的建議[J].國外橋梁，1999（3）：60-63.

[5]陳政清，雷旭，華旭剛，等.大跨度懸索橋吊索減振技術研究與應用[J].湖南大學學報（自然科學版），2016（1）：1-10.

[6]鞏明，劉玉輝，張彥玲，等.基于ANSYS的人行懸索橋主纜及抗風纜找形方法研究[J].國防交通工程與技術，2018（5）：26-29+11.

[7]宋錦忠，林志興，徐建英.橋梁抗風氣動措施的研究及應用[J].同濟大學學報（自然科學版），2002（5）：618-621.

[8]姜天華.大跨度橋梁風致振動控制研究[D].武漢理工大學，2009.