矮塔斜拉橋混凝土箱梁施工階段風荷載影響分析

李春元

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧　大連　116083）

矮塔斜拉橋混凝土箱梁施工階段風荷載影響分析

李春元

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧大連116083）

南澳大橋主橋的混凝土箱梁施工中，當地風環境條件極其惡劣，在成橋最大懸臂狀態時，對風荷載作用下的結構動力特性進行計算分析。在無類似相關經驗和參數選取的條件下，通過施工前期觀測統計，合理選取風荷載參數，采取安全可靠的方案措施，科學合理控制施工最大允許風速，有效避免了豎向渦激共振對澆筑混凝土質量的影響。

矮塔斜拉橋；混凝土箱梁；施工階段；風荷載影響

0　引言

廣東省南澳大橋地處臺灣海峽“喇叭口”處，受冬季季風和夏季臺風影響大。橋位風環境惡劣，施工過程中受不利氣象影響較大，目前國內在類似海洋風環境下，大懸臂澆筑混凝土箱梁結構的工程尚缺少研究案例。為確保施工過程中混凝土澆筑質量，針對施工過程中混凝土澆筑風環境的影響，分析結構最大施工風荷載響應規律和風載效應，對主橋箱梁的混凝土懸臂澆筑施工進行安全評價，保證施工安全和內在質量。

1　概述

1.1工程概況

南澳大橋位于廣東省汕頭市萊蕪島與南澳島之間，項目全線總長11.080 km，其中橋梁全長9 341 m，道路全長1 739 m。

主橋為矮塔斜拉橋，采用雙柱式門型塔結構，塔高69.415 m，主橋全長490 m，橋型布置為（126+238+126）m預應力混凝土箱梁。主橋立面圖和平面圖詳見圖1[1]。

1.2風速資料

海工環境下懸澆施工混凝土結構工程案例較少，該橋橋位風環境惡劣，結構施工過程受不利氣象影響較大，根據施工期間南澳氣象站資料，統計出各月平均災害性天氣日數如表1所示[2]。

圖1　主橋立面和平面布置圖Fig.1　Main bridge elevation and layout plan

表1　南澳大橋現場實際統計各月平均災害性天氣日數（2010—2013年）Table 1　Average severe weather days per month from Nan′ao meteorological station（2010-2013）d

1.3主要分析內容

在總結分析國內外相關研究的基礎上，根據控制標準首先建立結構動力計算模型，分析結構的自身動力特性，并采用擬靜力分析方法，分析結構最大施工風荷載響應規律和風載效應，對結構的混凝土懸臂澆筑施工進行安全評價和影響質量分析。

主要分析內容有以下4項：

1）最大懸臂階段主梁渦激共振幅值。

2）掛籃在風荷載下的動撓度。

3）評價渦激共振對施工過程中混凝土澆筑的影響。

4）評價掛籃剛度在風荷載響應下對混凝土澆筑的影響。

2　風速參數確定

考慮在最大允許施工風荷載的作用下，風荷載對混凝土懸澆質量的影響，根據現場前期施工積累的經驗，計算中所采用的風速按6級風限值（即風速為13.6 m/s）[2]。

3　結構動力特性分析計算

3.1有限元模型

根據設計圖紙，采用Midas2012橋梁專用有限元分析軟件[3]，對成橋最大懸臂施工狀態的結構動力特性進行計算分析[4]。有限元模型見圖2，計算模型梁單元1 554個，節點1 572個。邊界條件：主塔樁基采用土彈簧模擬樁土作用，采用主從連接模擬塔梁固結，斜拉索通過剛臂與主梁相連。

圖2　最大懸臂有限元模型Fig.2　Finite element model of maximum cantilever

3.2結構動力特性分析結果

根據有限元軟件對成橋最大懸臂施工狀態的結構動力特性計算結果如表2所示，主梁豎彎發生在第4階振型中，主梁扭轉發生在第9階振型中如圖3、圖4所示。

表2　 前十階模態表Table 2　First ten modals

圖3　第4階模態圖Fig.3　Modal of 4th order

圖4　第9階模態圖Fig.4　Modal of 9th order

4　渦激共振計算與分析

在施工階段避免渦激振動或者限制其振幅在可接受的范圍之內，具有十分重要的意義，根據JTG/TD 60-01—2004《公路橋梁抗風設計規范》中計算公式對渦激共振進行計算[4]。

4.1豎向渦激共振

1）共振發生風速

豎向彎曲發生在第4階振型中，由表2對應頻率計算，豎向渦激共振發生風速Vcvh=2.0fbB= 2.0×0.567 445×14.4=16.34 m/s。

2）共振振幅豎向渦激共振振幅hc=0.006 1 m，詳見表3。

表3　渦激共振計算表格Table 3　Vortex-induced resonance calculation

3）基于舒適性的豎向渦激共振振幅允許值

豎向渦激共振允許振幅 [ha]=0.071 m，詳見表3。

4.2扭轉渦激共振

1）共振發生風速

扭轉模態發生在第9階振型中，由表2對應頻率計算，扭轉渦激共振發生風速Vcvθ=1.33ftB= 1.33×1.946 634×14.4=37.3 m/s。

2）共振振幅扭轉渦激共振振幅θc=0.095 rad，詳見表3。3）基于舒適性的扭轉渦激共振振幅允許值

扭轉渦激共振允許振幅 [θa]=0.163 rad，詳見表3。

4.3評價渦激共振對澆筑混凝土質量的影響

根據上述計算結果可知，豎向渦激共振發生風速16.34 m/s，扭轉渦激共振發生風速為37.3 m/s，在小于13.6 m/s風速施工時均不會發生豎向和扭轉渦激共振。

扭轉渦激共振發生風速與施工最大允許風速較接近，施工過程中可能會發生豎向渦激共振現象，由上述計算結果可知，豎向渦激共振振幅為0.006 1 m，數值較小，對施工過程中混凝土的澆筑影響較小。

5　主梁靜陣風作用

對于主梁結構來說，風荷載一般由三部分組成：一是平均風的作用；二是脈動風的背景脈動；三是脈動風誘發抖振而產生的慣性力作用。將平均風作用和風的背景脈動兩部分合并，總的響應和平均風響應之比稱為等效靜陣風系數Gv，它是與地面粗糙程度、離地面（或水面）高度以及水平加載長度相關的系數。

5.1靜陣風風速確定

根據Kaimal水平風譜，計算了不同基準風速、不同地表粗糙程度類別和幾種相關系數以及不同橋面高度的靜陣風系數。由于靜陣風荷載是等效平均風作用和風的背景脈動形成的，其時距系數應取1～3 s。對一般大跨徑橋梁，橋梁高度一般在30～70 m之間，基本風速一般在20～50 m/s之間，因而建議采用時距為1 s，基本風速為40 m/s，水平相關系數偏安全地取7時的結果。計算出靜陣風系數后，靜陣風風速可按下式計算：

由于是施工階段最大懸臂狀態驗算，取地面或水面以上10 m高度處的風速為13.6 m/s，由設計資料可查得，橋面位置基準高度取Z2=40 m，橋面位置基準高度的風速計算為：

橋面位置基準高度的風速：

Gv按照地表A類取值，取為1.24，計算靜陣風風速為：

1）橋面高度處風速為13.6 m/s

Vg=GvVZ=1.24×13.6=16.86 m/s

2）橋面高度處風速為16.1 m/s

Vg=GvVZ=1.24×16.1=19.96 m/s

5.2主梁靜陣風荷載

作用在主梁單位長度上的靜力風荷載為如圖5所示的坐標系（即體軸）3個方向的平均風荷載。

圖5　靜力風荷載方向示意圖Fig.5　Static wind loading direction

由于主要研究內容為風荷載豎向動撓度對混凝土澆筑質量的影響，計算中僅考慮豎向風載和扭轉力矩的影響。

橋梁斷面靜三分力系數是靜風荷載和穩定性分析中的重要參數。通常是制作一定縮尺比例的節段模型，通過風洞試驗測定靜力三分力系數[5-6]。然而，基于該工程條件，風洞試驗難以展開，參照以往類似橋梁斷面的風洞試驗結果選取本橋主梁斷面的豎向力系數為CV=0.73，扭轉力矩系數為CM=0.06。

1）橋面高度處風速為13.6 m/s

豎向風載：PV=×1.25× 13.62×0.73×14.4=1 215.2 N/m

2）橋面高度處風速為16.1 m/s豎向風載：PV=1 703.0 N/m

扭轉力矩：M=2 015.6 N·m/m

5.3主梁靜陣風荷載效應

1）有限元模型

在前述3.1節中，最大懸臂結構動力分析模型基礎之上，添加掛籃局部模型，橋墩兩側主梁考慮風荷載不對稱加載，不對稱系數取0.5。掛籃局部模型詳見圖6所示[7]。

圖6　掛籃局部有限元模型Fig.6　Finite element model of section with suspended scaffolding

2）靜陣風荷載效應

橋面高度處風速計算見表4。

表4　橋面高度處風速計算表Table 4　Calculation of wind speed at bridge deck

5.4施工最大允許風速對澆筑混凝土質量的影響

由于作用在大跨度橋梁斷面上的豎向力（升力）和扭轉力矩一般由平均風作用下的靜力和抖振慣性力組成，且平均風下的靜力作用頻率較低，對混凝土澆筑質量的影響較小，抖振慣性力作用下頻率較高，對混凝土澆筑質量有一定影響。

根據計算結果可知，最大懸臂端及掛籃最外緣在橋面高度處風速為13.6/16.1 m/s的豎向風荷載及扭轉力矩組合情況下的最大豎向動撓度為1.5 cm左右，為跨中梁高的1/266，動撓度值較小，對混凝土澆筑質量影響不大。

6　結語

1）由計算結果可知，豎向渦激共振發生風速與施工最大允許風速較接近，施工過程中可能會發生豎向渦激共振現象，但共振振幅為0.006 1 m，數值較小，對施工過程中混凝土的澆筑影響較小。為確保結構施工過程中的安全性，必要時可采取相應措施以防止主梁發生豎向渦激共振。

2）由于作用在大跨度橋梁斷面上的豎向力（升力）和扭轉力矩一般由平均風作用下的靜力和抖振慣性力組成，且平均風下的靜力作用頻率較低，對混凝土澆筑質量的影響較小，抖振慣性力作用下頻率較高，只有純的抖振慣性力對混凝土澆筑質量有一定影響。由于目前橋梁抗風理論水平及計算手段的限制，現在還無法做到將平均風作用下的靜力和抖振慣性力剝離開，現在只能根據平均風作用下的靜力和抖振慣性力耦合計算結果來宏觀評價施工最大允許風速對澆筑混凝土質量的影響。計算所得最大動撓度1.5 cm左右，為跨中梁高的1/266，動撓度值較小，對混凝土澆筑質量影響不大，只要嚴格按照JTG/T F50—2011

《公路橋涵施工技術規范》要求，大跨徑主梁施工時應盡量縮短長懸臂持續時間，以減少風振的不利影響，必要時應采取臨時抗風措施。

[1]中國公路工程咨詢集團有限公司.廣東省南澳大橋工程（第三合同段）施工圖及設計說明書[R].2008. China Highway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.Shop drawings&design instruction for Nan′ao bridge in Guangdong Province(The 3rd contract package)[R].2008.

[2]中交第一航務工程局有限公司.廣東省南澳大橋工程（第三合同段）總體施工組織設計[R].2009. CCCC First Harbour Engineering Co.,Ltd.General construction plan for Nan'ao Bridge in Guangdong Province(The 3rd contract package)[R].2009.

[3]《Midas2012橋梁專用有限元分析軟件》使用說明書[K].2012. User manual of Midas2012 Finite Element Analysis Software for Bridge[K].2012.

[4]李文治，訾銀輝.大跨度斜拉橋最大懸臂施工狀態動力特性分析[J].山西建筑，2012，38（17）：212-214. LI Wen-zhi,ZI Yin-hui.Dynamic characteristics analysis on maximum cantilever construction condition of large span cable stayed bridge[J].Shanxi Architecture,2012,38(17):212-214.

[5]JTG/T D60-01—2004，公路橋梁抗風設計規范[S]. JTG/T D60-01—2004,Wind-resistant design specification for highway bridges[S].

[6]林晨.典型橋梁斷面氣動力特性的風洞實驗研究[D].上海：復旦大學，2003. LIN Chen.Wind tunnel experimental study on aerodynamic characteristics of typical bridge section[D].Shanghai:Fudan University, 2003.

[7]邱捷.橋梁典型斷面三分力系數雷諾數效應數值研究[D].長沙：中南大學，2010. QIU Jie.Numerical study on three component coefficient Reynolds number effect of the typical section of bridge[D].Changsha:Central South University,2010.

Wind load effect on low-pylon cable-stayed bridge during construction of box girders

LI Chun-yuan
（No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116083,China）

During the construction of concrete box girders for the main part of Nan'ao Bridge,the local wind conditions were extremely bad.We analyzed the dynamic characteristics of the structure under the effect of wind loading when the bridge was in its maximum cantilevering position.As there were no similar experience and parameters available,parameters for wind loads were rationally selected on the basis of the data of observation made in the early stage of the project.Safe and reliable measures were taken and the highest allowable wind velocity was scientifically and rationally controlled to effectively avoid the effect of the vertical vortex induced resonance on the quality of concrete.

low-pylon cable-stayed bridge;concrete box girder;construction stage;effect of wind loading

U448.27

A

2095-7874（2016）09-0026-05

10.7640/zggwjs201609006

2016-05-19

2016-06-28

李春元（1973— ），男，遼寧大連市人，高級工程師，總工程師，主要從事港口工程、公路工程施工。E-mail：815738931@qq.com