Bentley:以三维设计挑战悬索桥

  大跨径悬索桥是交通网络中出色却也是脆弱的资产。由于悬索桥在交通网络中作用重大,因此这类桥梁的设计、施工以及后期的监护和运维工作必须非常精准。在设计过程中,桥梁设计师必须要解决多重挑战,包括桥型结构本身所具有的强烈非线性震动特性、悬缆的几何构造优化以及风力影响。

  图 1 哈当厄尔大桥

  结构系统的不断变化是进行非线性结构分析的主要原因。对于斜拉桥,必须执行专门的优化程序。对于较长的斜拉和悬索桥,桥梁设计师必须考虑动态风力影响。这些结构不同寻常的纤细设计使桥梁对风力引起的震动尤为敏感。尤其是钢桥,桥身各段均可使用特别纤细的主梁。处于材料节省和体现建筑特色的考虑,风力设计方面需要做些取舍,因为进入终施工阶段后,不可能再将承受动态风力作为优先目标。必须采用先进的分析方法,针对所有类型的已知风力影响确定临界风速。因此,动态风力分析对桥梁工程师越来越重要。动态风力现象包括涡旋脱落和锁定现象、横风向飞驰和尾迹飞驰、扭力分散、飘动现象和风力冲击等。

  桥梁设计和分析是一个迭代过程,工程师会通过更改特定的系统参数寻找给定标准下的佳解决方案。工程经验有助于减少需要的时间,但仍然需要很多迭代才能达到设计标准。如今,计算机程序,包括 Bentley RM Bridge可以为这一设计过程提供佳支持。RM Bridge 经过充分测试及大型项目的检验,已成为认可的专业系统,能够解决几乎任何桥梁设计或分析问题。

  例如,工程设计师在挪威长的大跨径悬索桥哈当厄尔大桥(图 1)设计建造中成功使用了 RM Bridge。该桥横跨哈当厄尔峡湾,于 2013 年 8 月开通。桥梁主跨为 1310 米,在世界长悬索桥名单中名列第 10。挪威公路局 Statens Vegvesen 与 TDA Norway 及 Bentley 软件公司奥地利团队在格拉茨密切合作,共同完成了设计工作。

  图 2 建造过程

  这座大桥采用双车道悬索结构,还有一条供自行车和行人使用的非机动车道,长 1380 米,支撑塔高出海平面 202.5 米,行车道下有 55 米的净空通航空间。主边跨比很大,这是因为峡湾岸边十分陡峭,因此桥塔必须置于靠近水边的位置。施工过程必须吊起每个主梁分段并暂时使用铰结构连接分段。所有部分吊起之后,进行了后的焊接(图 2)。在这个过程中,主梁对风力引起的震动变得更加敏感。

  桥梁行车道包含一个正交各向异性钢结构箱,宽度/深度值为 17.3 米/3.2 米。与其他同类跨度的桥梁相比,此桥的主梁刚度相对较小。两根主索之间的距离仅为 14.5 米,这使得哈当厄尔大桥成为世界上纤细的桥梁之一(图 3)。

  该项目中一些特别的挑战包括,结构的高度非线性行为、设计弧垂面时需优化悬索几何构造、交通负载产生的非线性行为,以及建造程序、风力载荷和风力引起的震动的优化。

  RM Bridge 对运行中的桥梁应用一组弧垂和缆线索力约束,从而计算出主索和悬架的缆线长度。主梁终采用了具有立面等半径的笔直几何构造。垂直半径通过塔和离塔近的悬架之间的恒定弯曲力矩实现。

  图 3 主索

  主梁和塔的数值风力调查由 CFD 模块执行,该模块使用涡旋粒子方法描述截面周围的气流(图 4)。此外,在格拉茨还与虚拟车辆能力中心 (VIF) 合作进行了小规模的风隧道测量,以校正开发的 CFD 模块。

  研究中考虑到了根大梁的两个变化:一个是实腹梁,另一个是附着的风导向叶片和导流板。

  图 4 CFD 计算

  针对雷诺数的三个不同的参数配置进行了 CFD 计算。此外,计算结果与风隧道测试进行了比较,测试中使用截面的 1:100 模型,模型不带导向叶片和导流板,雷诺数为 Re = 10e5。

  对风剖切面进行了风力冲击分析,其中,使用对数正态分布确定了平均风速,功率谱密度为 Kaimal 类型。通过仅对比静态风的结果,静态和动态侧向力为同等级。动态风扭矩更大。由于波动的垂直风分量,有效风入射角比静态效果下的变动更多。因此,行车道的整体扭矩放大,内力矩也因此更高(图 5)。

  挪威未来的一些项目将需要创新的桥梁和隧道技术、经验丰富的工程师和可靠的软件应用程序。这其中包括克里斯蒂安桑、斯塔万格、卑尔根和特隆赫姆市之间的 E39 公路,此公路将成为免费高速公路。

  图 5 主梁的静态和动态(侧向风)内力

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