强风作用下木拱廊桥的风振响应分析——以文兴桥为例

中国传统木拱廊桥采用较短的木材构件,形成了较大的桥梁跨度,其整体造型优美,结构巧妙,构造特殊,具有重要的历史价值、艺术价值和科学价值。我国现存的传统木拱廊桥仅有百余座,集中分布于我国浙南和闽北地区,大多建于明清至民国时期,是我国木构桥梁建造技术和古代人民智慧的体现,而近些年来由于台风洪水等自然灾害导致的传统木拱廊桥破坏甚至损毁的事件时有发生。现有的对于传统木拱廊桥的研究大多着眼于其历史艺术价值和建造技术工艺等方面,鲜有对于其结构性能的研究,尤其缺乏强风作用下木拱廊桥的风振响应性能的深入研究。本工作为研究中国传统木拱廊桥在强风作用下的风振响应性能,以典型传统木拱廊桥——浙江泰顺的文兴桥为例,基于几何尺寸的精确测绘,采用SAP2000建立有限元模型进行了木拱廊桥的动力特性分析。研究内容包括以下几方面:首先,采用线性滤波法,基于自回归(AR)法模拟风场,利用MATLAB软件编写脉动风速时程。此后,由于我国现行的规范没有给出适用于木拱廊桥这一结构类型的风压体型系数,本工作通过CFD软件FLUENT风洞数值模拟得到适用于文兴桥的风压体型系数。最后,将模拟编译得到的时程风压作用于文兴桥的有限元模型得到其风振响应。计算结果表明:结构主振型为第一阶横向水平振动;风荷载对三节苗和五节苗两边最外侧的斜苗影响较大,对五节苗平苗的影响较大;下部剪刀撑的最大拉、压应力超过抗拉、抗压强度;剪刀撑脱榫将使下部斜撑的轴压力突增从而导致整体结构抗侧能力大幅降低;强风作用下传统木拱廊桥的时程计算风振系数为1.43～1.75,由此可见木拱廊桥风动力效应不容忽视。本研究成果反映了我国传统木拱廊桥在风荷载作用下结构构件的受力规律和整体结构的动力特性,并为我国传统木拱廊桥的风振性能评估和抗风保护提供理论依据,更科学地保护这一宝贵的建筑遗产类型。

Research on the response of arched timber lounge bridges under strong wind action: a case study of Wenxing Lounge Bridge