钢箱梁桥抗风稳定性分析及其优化设计.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 90 钢箱梁桥抗风稳定性分析及其优化设计 黄博超 南昌铁路勘测设计院有限责任公司，江西 南昌 330000 摘要：摘要：本文围绕钢箱梁桥的抗风稳定性分析及其优化设计展开讨论。首先介绍了钢箱梁桥的结构与特点，包括结构形式、构造特点、高刚度和大跨度能力、重量轻、施工周期短、抗震性能优越以及维护方便等特点。接着，探讨了钢箱梁桥的抗风稳定性分析，包括风对桥梁影响、风荷载计算方法与标准以及风振分析方法。随后，重点讨论了结构抗风设计要求与措施，包括结构形式和加强措施的改进设计，以提高桥梁的抗风能力和整体性能。最后，探讨了钢箱梁桥的优化设计，包括优化设计的原则和方法、结构形式和加强措施的改进设计，以及优化设计结果的分析和评价。通过理论的探讨和方法的应用，可以为钢箱梁桥的设计和施工提供科学的指导。关键词：关键词：钢箱梁桥；抗风稳定性；优化设计 中图分类号：中图分类号：U442.5 随着城市交通的快速发展，钢箱梁桥受到一定程度的推广，相比现浇混凝土桥梁而言，不仅仅避免桥下搭设支架产生交通干扰，还缩短施工工期等优势，承担着大量交通流量和荷载。然而，钢箱梁桥在面对强风环境时，其抗风稳定性成为一个重要的设计考虑因素。为了保证桥梁的安全性和可靠性，需要进行抗风稳定性的分析与优化设计。本文旨在探讨钢箱梁桥的抗风稳定性分析及其优化设计。首先介绍了钢箱梁桥的结构与特点，包括其高刚度、大跨度能力、重量轻、施工简便、抗震性能优越和维护方便等优势。然后，重点讨论了钢箱梁桥面临的风荷载影响，以及风对桥梁抗风稳定性的影响因素。接着，介绍了风荷载计算方法与标准，以及钢箱梁桥的风振分析方法。进一步探讨了结构抗风设计的要求和措施，包括结构形式的优化和加强措施的改进设计。通过对钢箱梁桥的优化设计，旨在提高桥梁的抗风稳定性和整体性能，以确保其在强风环境下的安全运行。本研究将采用参数优化、拓扑优化、基于仿真模拟的优化方法和基于优化算法的优化方法，以理论为基础，结合实际工程案例进行探索和分析。1 钢箱梁桥的结构与特点 1.1 结构形式和构造特点 钢箱梁桥的主体结构是由由一系列的钢板及加劲肋等钢材焊接而成，梁段之间通过焊接或螺栓连接。钢箱梁的横截面通常为矩形或箱形，具有较高的刚度和强度。钢箱梁桥的主要承载构件是梁段，而桥墩仅用于支承和稳定桥梁。1.2 高刚度和大跨度能力 钢箱梁桥的箱形截面结构使其具有较高的刚度和承载能力。钢材的高强度和刚度使得钢箱梁桥具有大跨度的能力，减少中间支点，提高交通流动性。1.3 重量轻、自重小 相比于传统的混凝土梁桥，钢箱梁桥的自重较轻，不但可以减少对桥墩和地基的荷载，从而降低了地基设计的要求，而且钢箱梁自重轻使得吊装难度比同等跨径的混凝土桥要小很多。1.4 施工简便、速度快 钢箱梁桥的施工相对简便，可以在工厂预制加工，然后通过吊装等方式进行组装和安装。相比于现场浇筑的混凝土梁桥，钢箱梁桥的施工速度更快，减少了施工时间和交通干扰。1.5 抗震性能优越 钢材具有较好的延性和弹性，使得钢箱梁桥具有较好的抗震性能。钢材的高强度和刚度可以有效抵抗地震荷载，减小桥梁的变形和破坏风险，提高桥梁的安全性。2 钢箱梁桥的抗风稳定性分析 2.1 风对钢箱梁桥的影响 强风对钢箱梁桥结构会产生多方面的影响。首先，风会对桥梁产生水平方向的荷载。这种荷载可能会引起桥梁结构的振动和变形，甚至可能导致结构的破坏。其次，风的作用还会对行车安全产生影响，例如在强侧中国科技期刊数据库 工业 A 91 风条件下，增加了行车风险。此外，风对桥梁的影响还与桥梁的几何形状、横断面特性和风的流动特性等因素密切相关。由于钢箱梁桥对比混凝土而言结构更加轻巧，风荷载的作用对其倾覆作用明显高于混凝土桥梁。因此，了解风对钢箱梁桥的影响是进行抗风稳定性分析和优化设计的关键。2.2 风荷载计算方法与标准 在进行钢箱梁桥的抗风稳定性分析时，需要进行风荷载的计算。风荷载计算是基于风力学原理和相关标准进行的。通常情况下，风荷载计算方法包括两个主要方面：风速计算和荷载计算。风速计算是通过气象数据、风洞实验或数值模拟等方法，确定桥梁所在地点的设计风速。这些数据通常基于统计分析和风场模型，以考虑不同的风向、风速分布和概率分布。荷载计算是根据相关的国家或行业标准进行的。不同国家或地区可能有不同的标准，例如中国的 公路桥梁抗风设计规范和国外的相关规范等。这些标准提供了关于风荷载计算的具体公式、参数和方法，以确保桥梁在风力作用下的安全性。在进行风荷载计算时，需要考虑桥梁的几何形状、横断面特性、桥墩和桥面系的布置等因素。这些因素对风荷载的分布和作用方式都会产生影响，因此需要进行综合考虑和分析。2.3 钢箱梁桥的风振分析方法 在钢箱梁桥的抗风稳定性分析中，风振是一个重要的考虑因素。风振是指由于风对桥梁结构的激励引起的振动现象。为了评估钢箱梁桥在风振作用下的稳定性，需要进行风振分析。风振分析方法通常包括风洞试验、数值模拟和理论分析等。风洞试验是一种常用的风振分析方法。通过在风洞中建立钢箱梁桥的模型，并模拟实际的风场条件，可以测量桥梁在风作用下的响应。风洞试验可以提供实验数据，用于验证和调整风振分析模型，从而提高分析的准确性。数值模拟是另一种常用的风振分析方法。通过使用计算流体力学（CFD）软件或结构动力学分析软件，可以对钢箱梁桥在风场中的响应进行模拟和预测。数值模拟可以考虑更复杂的桥梁几何形状、风场条件和荷载情况，从而提供详细的分析结果。理论分析是基于结构动力学理论进行的风振分析方法。通过建立钢箱梁桥的动力学模型，考虑风的作用和桥梁的响应特性，可以进行理论分析和计算。这种方法常常用于快速评估桥梁的风振稳定性，但需要对结构和风场条件进行合理的简化和假设。综合使用风洞试验、数值模拟和理论分析等方法可以得出对钢箱梁桥的风振响应的全面评估。2.4 结构抗风设计要求与措施 在钢箱梁桥的抗风设计中，有一些重要的要求和措施，以确保桥梁在风力作用下具有足够的稳定性和安全性。首先在设计过程中要求考虑到风荷载的影响。这些要求通常根据相关的国家或行业标准制定，包括桥梁的结构强度、刚度和桥梁的抗倾覆能力要求。其次，对于钢箱梁桥的结构形式和构造细节进行优化设计是重要的措施。例如由于风荷载的作用，在横桥向增大支座间距，以提高桥梁的抗倾覆能力。在纵向构造方面，考虑梁段的连接方式和刚度分布，以增加整体结构的稳定性。此外，针对钢箱梁桥的特点和风振问题，还可以采取其他的抗风措施，以消散桥梁振动能量；采用适当的风防护措施，如安装风挡板或护栏等，减小风的直接作用。对于钢箱梁人行天桥来说，抗倾覆是桥梁设计的重要环节之一。首先，钢箱梁自重轻，较混凝土桥而言抗倾覆更加不利；第二，对于有些地区的人行天桥要求设置雨棚和玻璃护栏，那么桥梁的迎风面大大增加，对于抗倾覆更加不利。深圳市地铁16号线交通疏解工程，坪山中学人行天桥，主桥共一跨，跨径为 34.4m。桥梁上部结构采用预制吊装钢箱梁，主桥全宽为 5.0m，梁高为 1.7m，跨径布置为（1.50+34.40+1.50）m，简支钢箱梁结构。由于本主桥下方为地铁盾构区域，下方无法立墩，而且如果本桥采用支座与主梁连接的方式，梁高至少要加高至 2.2m 才能满足结构基频的要求，所以本桥主梁与墩柱采用墩梁固结的方式连接，不仅使得本桥梁的结构基频满足设计要求，还满足风对本桥的作用。因此采取墩梁固结也是提高钢箱梁桥抗倾覆能力的有效方法之一。3 钢箱梁桥的优化设计 钢箱梁桥的抗风稳定性分析及其优化设计是一项复杂而重要的任务。通过对钢箱梁桥的结构与特点进行了全面的介绍，我们了解到钢箱梁桥具有高刚度、大跨度能力、重量轻、施工速度快、抗震性能优越和维护方便等特点。针对钢箱梁桥的抗风稳定性，我们探讨了风对桥梁的影响、风荷载计算方法与标准以及风振分析方法。为了提高桥梁的抗风能力，我们讨论了结构抗中国科技期刊数据库 工业 A 92 风设计要求与措施，包括结构形式和加强措施的改进设计。最后，我们讨论了钢箱梁桥的优化设计，包括优化设计的原则和方法、结构形式和加强措施的改进设计，以及优化设计结果的分析和评价。3.1 优化设计的原则和方法 3.1.1 多目标优化原则 多目标优化考虑同时优化多个设计目标。在钢箱梁桥的设计中，常见的设计目标包括抗风稳定性、结构强度和可持续性等。通过综合考虑这些目标，并找到它们之间的平衡点，可以得到更好的设计方案。3.1.2 参数优化方法 参数优化是一种通过调整设计变量的数值来寻找最优解的方法。在钢箱梁桥的优化设计中，设计变量可以包括梁段的截面形状、厚度分布、支座间距、悬臂长度等。通过设置合适的优化算法和约束条件，可以搜索设计空间中的最优解。3.1.3 拓扑优化方法 拓扑优化通过调整结构的拓扑形状，以实现最佳的结构性能。在钢箱梁桥的设计中，可以采用拓扑优化方法来确定梁段的布置、支座位置等。通过自动生成和评估不同的结构拓扑，并根据性能指标进行筛选和改进，可以得到更优的结构形式。3.1.4 基于仿真模拟的优化方法 利用计算机仿真模拟可以对钢箱梁桥的性能进行评估，并为优化设计提供依据。结构分析软件、计算流体力学（CFD）软件等可以用于模拟桥梁的受力情况、风场对桥梁的作用等。通过与实际观测数据或实验结果进行比较，可以验证和调整仿真模拟的准确性，并为优化设计提供准确的性能预测。3.1.5 基于优化算法的优化方法 在钢箱梁桥的优化设计中，可以使用各种优化算法来搜索最优解。常见的优化算法包括遗传算法、粒子群优化算法、模拟退火算法等。这些算法通过不断迭代和优化设计变量的搜索空间，逐步接近最优解。3.2 结构形式和加强措施的改进设计 3.2.1 结构形式的改进设计 选择合适的结构形式是钢箱梁桥优化设计的重要环节之一。不同的结构形式对桥梁的抗风能力和整体性能有不同的影响。例如，大跨度的斜拉桥与悬索桥与常规跨度的简支及连续钢箱梁桥抗风能力和整体性能有所不同，通过评估不同结构形式的性能、经济性和可行性，可以选择最适合的结构形式。3.2.2 梁段布置和几何形状的改进设计 在钢箱梁桥的设计中，梁段的布置和几何形状对桥梁的抗风稳定性和整体性能有重要影响。通过优化梁段的布置方式和长度，可以减小风的作用范围，降低风荷载对桥梁的影响。此外，优化梁段的截面形状和厚度分布，可以提高结构的刚度和稳定性。通过采用变截面梁段等设计方法，可以进一步改善桥梁的抗风性能。3.2.3 加强措施的改进设计 为了增强钢箱梁桥的抗风能力，可以采取一系列的加强措施。例如，增大支座间距或增加支座数量，以提高桥梁的桥梁抗倾覆能力。此外，可以采用横隔板等加强措施来增加桥梁的整体刚度和稳定性。对于特殊情况，如高风区域或大跨度的桥梁，还可以考虑采用气动减震装置、风挡板或阻尼器等技术手段来减小风荷载对桥梁的影响。3.2.4 模型分析和仿真优化 在结构形式和加强措施的改进设计过程中，模型分析和仿真优化是不可或缺的工具。通过建立适当的结构模型，并应用结构分析软件等进行仿真分析，可以评估不同设计方案的性能和稳定性。同时，借助优化算法和模型仿真，可以对不同的设计方案进行优化，找到最佳的结构形式和加强措施组合。3.3 优化设计结果的分析和评价 3.3.1 结构性能评估 对优化设计结果进行结构性能评估是至关重要的。结构性能包括抗风稳定性、结构强度、抗震性能等。通过应用结构分析方法，对设计方案进行静力分析、动力分析、疲劳分析可以评估桥梁在不同工况下的性能表现。这些分析结果可以帮助工程师了解优化设计方案的强度、稳定性和动力特性，进而决策是否需要进一步改进和优化。3.3.2 经济性评价 经济性评价是对设计方案进行成本效益分析的过程。通过考虑施工成本、材料消耗、维护费用等经济因素，可以评估设计方案的经济性。在钢箱梁桥的设计中，经济性评价可以包括初始投资成本、运营维护成本和整体寿命周期成本。基于这些评价结果，可以选择经济性较好的设计方案，并进行进一步的优化。中国科技期刊数据库 工业 A 93 3.3.3 可持续性评价 可持续性评价考虑设计方案对环境和社会的影响。在钢箱梁桥的设计中，可持续性评价可以包括对能源消耗、排放物产生、资源利用以及对社区和生态环境的影响等方面的评估。通过评估设计方案的可持续性，可以选择对环境友好、资源节约和社会可接受的设计方案。3.3.4 结果验证和调整 设计结果的验证是确保设计方案有效性的重要步骤。通过与实际计算数据或实验结果进行比较，验证优化设计结果的准确性和可靠性。如果发现与实际数据存在差异，需要对设计方案进行调整和改进。这可以包括调整设计参数、重新进行分析，以确保设计方案符合实际要求。4 结论 综上所述，通过深入研究钢箱梁桥的抗风稳定性分析及其优化设计，可以为桥梁工程的设计和施工提供科学的指导和支持。通过合理选择优化设计的原则和方法，结合结构形式和加强措施的改进设计，可以提高桥梁的抗风能力和整体性能。这对于确保桥梁的安全运行和可持续发展具有重要意义。在未来的研究中，还可以进一步探索新的优化设计方法和技术，以应对不断变化的社会发展和工程需求。参考文献 1于俊杰,肖海珠,蒋帆影.南京仙新路过江通道主桥抗风性能风洞试验研究J.桥梁建设,2023,7(02):68-74.2张宏,张伟.连续钢箱梁桥抗倾覆稳定性分析J.华北水利水电大学学报(自然科学版),2021,6(01):95-100.3邵国攀.大跨度吊拉组合桥梁结构行为及抗风稳定性研究D.重庆:西南交通大学,2020,81(07).4戚中洋,滕宇.钢箱梁桥抗倾覆稳定性及参数影响分析J.公路交通科技(应用技术版),2020,3(02):216-218.5魏永建.小半径曲线钢箱梁桥抗倾覆稳定性分析J.中国市政工程,2019,5(02):31-34,137.6周加生.基于新规范下连续梁桥抗倾覆稳定性设计J.中国市政工程,2020(3):86-87,91.7李爽.曲线钢箱梁桥优化设计研究J.工程建设与设计,2023(7):93-96.