高墩大跨剛構(gòu)—連續(xù)梁橋施工過程中的抗風(fēng)分析

王宜平

(蘭州鐵道設(shè)計院有限公司，甘肅 蘭州 730000)

1 橋梁風(fēng)害調(diào)查

風(fēng)荷載是橋梁結(jié)構(gòu)最主要遭受的自然外力，調(diào)查和分析橋梁的風(fēng)災(zāi)及其產(chǎn)生的原因?qū)τ诓捎谜_的抗風(fēng)設(shè)計方法和提出有效抗風(fēng)措施具有重要意義。1940年的塔科馬懸索橋在8級大風(fēng)作用下風(fēng)致振動而破壞，使得橋梁工程師要充分面對風(fēng)致振動問題，而且現(xiàn)代橋梁正朝著更大跨度、更纖柔的方向發(fā)展，大跨度以及超大跨度橋梁的結(jié)構(gòu)剛度和結(jié)構(gòu)阻尼相對較小，導(dǎo)致其對風(fēng)的敏感性不斷增加，對橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性研究提出了新的重要課題。

橋梁的風(fēng)毀事故最早可以追溯到1818年，蘇格蘭的Dryburgh Abbey橋首先因風(fēng)的作用而遭到毀壞。橋梁風(fēng)毀事件最著名的有兩件，一個是蘇格蘭Tay橋的墜落事故，Tay橋的倒塌造成了75人死亡的慘劇，以此事件為契機(jī)開展了關(guān)于風(fēng)壓的研究;另一個是美國Tacoma懸索橋的墜落事故，以此事件為契機(jī)開展了關(guān)于風(fēng)振的研究。在為調(diào)查美國Tacoma懸索橋的墜落事故而收集橋梁風(fēng)毀的歷史材料中，人們發(fā)現(xiàn)，自1818年起，至少己有12座橋梁毀于暴風(fēng)。此外，還有一些橋梁因風(fēng)的作用產(chǎn)生明顯的振動。美國的金門大橋在1951年對其進(jìn)行實測時，發(fā)現(xiàn)該橋在8～9級風(fēng)力作用下，主梁1/4處的最大振動幅值為1.7 m。如此強(qiáng)烈的振動，對橋梁結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生疲勞破壞，并引起行人或車輛的不安全感。

1962年到1963年間，日本的一座簡易人行吊橋和一座架設(shè)中的桁架橋相繼遭到風(fēng)毀。近幾年來，我國隨著大跨度橋梁的建設(shè)，橋梁的風(fēng)害也時有發(fā)生。例如廣東南海九江公路斜拉橋施工中吊機(jī)被大風(fēng)吹倒，砸壞主梁，江西九江長江公路鐵路兩用鋼拱橋吊桿的渦激共振，上海楊浦斜拉橋拉索的渦振和風(fēng)雨振使索套損壞等。這些橋梁風(fēng)害事故的出現(xiàn)使人們越來越意識到橋梁風(fēng)害問題的重要性。

2 工程概況

本論文以某在建高墩大跨度剛構(gòu)—連續(xù)梁橋為例。主橋上部采用(87+5×162+87)m七跨預(yù)應(yīng)力混凝土變截面剛構(gòu)—連續(xù)箱梁，主橋箱梁采用C55混凝土，在6號、11號墩的墩頂設(shè)置支座，在7號～10號墩墩頂采用剛構(gòu)體系。主橋6號橋墩采用矩形薄壁截面，截面尺寸為7.3 m(橫向)×7.0 m(縱向);7號 ～10號橋墩采用雙矩形薄壁截面，單個矩形截面尺寸為6.5 m(橫向)×3.0 m(縱向);11號橋墩采用矩形薄壁截面，截面尺寸為7.3 m(橫向)×6.0 m(縱向);6號 ～11號橋墩基礎(chǔ)均采用整體式承臺，每墩6φ2.5 m的鉆孔灌注樁。主墩墩身采用C50混凝土，過渡墩和引橋橋墩的墩身及蓋梁采用C40混凝土;橋墩承臺及基樁、橋臺耳背墻、臺身、臺帽、橋頭搭板采用C30混凝土。

3 施工過程中的抗風(fēng)研究

3.1 自然風(fēng)的基本特征

風(fēng)就是流動的空氣，風(fēng)的強(qiáng)度用風(fēng)速表示，各氣象臺站記錄下的多為風(fēng)速資料。確定作用于工程結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載時，必須依據(jù)當(dāng)?shù)仫L(fēng)速資料確定基本風(fēng)壓。風(fēng)的流動速度隨離地面高度不同而變化，還與地貌環(huán)境等多種因素有關(guān)。為了設(shè)計上的方便，可按規(guī)定的量測高度、地貌等標(biāo)準(zhǔn)條件確定風(fēng)速，對于非標(biāo)準(zhǔn)條件下的情況由此進(jìn)行換算。由風(fēng)速儀實測記錄的時程曲線可以看出，風(fēng)速包括兩種成分，一種周期T＞10 min長周期成分，稱謂平均風(fēng)速ˉv(平均風(fēng))，另一種稱謂脈動風(fēng)速Vf(脈動風(fēng))。

3.2 風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用

風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用是一個十分復(fù)雜的現(xiàn)象，它受風(fēng)的自然特性、結(jié)構(gòu)的外型、結(jié)構(gòu)的動力特性以及風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用等多方面因素制約。這里把風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用也可分成:①空氣力受結(jié)構(gòu)振動的影響很小，可忽略不計;②空氣受結(jié)構(gòu)振動的反饋制約，引起一種自激振動機(jī)制。

3.3 施工階段設(shè)計風(fēng)速

施工階段的設(shè)計風(fēng)速Vsd可按式(1)計算

式中，η為風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)，施工周期 ＜3年時，可采用系數(shù)0.78;Vsd為不同周期下的設(shè)計風(fēng)速(m/s);Vd為不同周期下的設(shè)計風(fēng)速(m/s)。

當(dāng)橋梁地表處以上結(jié)構(gòu)的施工工期 ＜3年時，可以采用不低于5年重現(xiàn)期的風(fēng)速;此處取風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)η=0.78;懸臂施工的橋梁，除了對稱加載外，還應(yīng)考慮不對稱加載工況，見圖1，不對稱系數(shù)取為0.5。

圖1 施工階段風(fēng)荷載

3.4 橋墩的風(fēng)荷載

橋墩的橫橋向風(fēng)作用下的陣風(fēng)荷載FH可按式(2)計算

式中，ρ為空氣密度(kg/m3);Vg為陣風(fēng)風(fēng)速(m/s);CH為橋墩的阻力系數(shù)，依照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》JTG/T D60-01—2004 的 4.4.2 條規(guī)定取為 1.22;An為橋梁各構(gòu)件順風(fēng)向投影面積(m2)。

根據(jù)式(2)計算出陣風(fēng)荷載，然后以靜力作用在橋墩上，利用Midas/Civil軟件進(jìn)行計算。計算結(jié)果見表 1、表 2。

表1 陣風(fēng)荷載下橋墩自體的階段內(nèi)力和位移

懸臂施工的橋梁，除了對稱加載外，還應(yīng)考慮不對稱加載工況，不對稱系數(shù)取為0.5，計算結(jié)果見表3。

表2 最大懸臂狀態(tài)下橋墩的內(nèi)力和位移

表3 不對稱荷載下橋墩最大懸臂狀態(tài)的內(nèi)力和位移

4 結(jié)論

1)橋墩自體施工橫向風(fēng)荷載效應(yīng)均小于縱向風(fēng)荷載的效應(yīng)，T構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下不對稱風(fēng)荷載對橋墩產(chǎn)生的效應(yīng)比對稱風(fēng)荷載更不利。

2)對于大跨度剛構(gòu)橋，橋墩在T構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下，因風(fēng)荷載產(chǎn)生的內(nèi)力和位移均大于橋墩自體階段的結(jié)構(gòu)內(nèi)力和位移。懸臂端在不對稱風(fēng)荷載作用下位移為13.1 cm，T構(gòu)最大懸臂施工階段墩頂位移為9.4 cm。因此，最大懸臂施工階段為最不利抗風(fēng)狀態(tài)。

3)在縱向風(fēng)作用下，橋墩雙肢無臨時結(jié)構(gòu)橫向聯(lián)接，墩頂位移為6.11 cm;當(dāng)橋墩的雙肢在墩頂橫向臨時聯(lián)接時，使得兩薄壁共同作用，墩頂?shù)奈灰茷?.23 cm，使得墩頂位移減少了79.8%，大大改善結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)狀態(tài)。

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