大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)的等效靜陣風(fēng)荷載分析

楊承海，祁永利

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074)

橋梁工程

大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)的等效靜陣風(fēng)荷載分析

楊承海，祁永利

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074)

處于多風(fēng)地區(qū)的大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是橋梁設(shè)計時必須考慮的因素，但采用隨機振動理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算過程往往比較復(fù)雜。利用等效靜陣風(fēng)荷載計算了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)，為橋梁的設(shè)計提供依據(jù)，對同類工程具有一定的借鑒作用。

斜拉橋；等效靜陣風(fēng)；荷載；響應(yīng)

1 概 述

斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度隨著跨度的增大而減小，且塔高較大，橋塔和拉索通常處于大氣邊界層中風(fēng)速變化大、湍流度高的近地區(qū)域，因此對風(fēng)荷載十分敏感。風(fēng)荷載是此類結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮的重要因素。利用等效靜陣風(fēng)荷載來計算結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)，是最簡單有效的方法。

某大跨徑斜拉橋位于鄂爾多斯地區(qū)，是一座超寬橋面卵形斜塔組合梁特種斜拉橋。橋梁總長180 m，其中主跨長120 m，為鋼箱梁；附跨長60 m，為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主梁梁高為2.5 m。橋梁總寬51.6 m，屬于超寬橋面斜拉橋范疇。斜拉索采用整束擠壓的環(huán)氧噴涂鋼絞線，外包PE進行防護，采用雙索面扇形布置。

針對該橋成橋狀態(tài)進行了不同風(fēng)偏角下的等效靜陣風(fēng)荷載分析，最后得出結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)靜陣風(fēng)荷載響應(yīng)，為橋梁設(shè)計提供依據(jù)。

2 基本參數(shù)的確定及計算工況

2.1 設(shè)計基本風(fēng)速

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)，該地區(qū)的基本風(fēng)速，即離地面(水面)10 m高度處10 min平均年最大風(fēng)速為Vs10=33.7 m/s。

2.2 設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定和該地區(qū)氣象局風(fēng)速、風(fēng)向統(tǒng)計資料分析，設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速確定如式(1)

(1)

式中：Z表示離開水面的高度；Z10表示標(biāo)準(zhǔn)高度，即Z10=10 m；Vs10表示橋址處的設(shè)計基本風(fēng)速；α表示地表粗糙度系數(shù)，取α=0.16。橋面高度處設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為Vd=36.3 m/s。

2.3 靜陣風(fēng)風(fēng)速

Vg=GvVd

(2)

式中：Gv表示陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)，與水平加載長度和地表類別有關(guān)，成橋狀態(tài)取為Gv=1.31；Vd表示不同高度處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速；成橋狀態(tài)橋面高度靜陣風(fēng)風(fēng)速為Vd=47.6 m/s。

斜拉索和主塔根據(jù)各加載點離水面的高度計算各加載點的相應(yīng)風(fēng)速。

2.4 阻力系數(shù)

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)，斜拉橋的斜拉索的阻力系數(shù)取為0.8。主梁的三分力系數(shù)取0°攻角進行風(fēng)荷載計算。根據(jù)試驗結(jié)果，在0°風(fēng)攻角成橋狀態(tài)體軸下的氣動阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)為0.740 8、-0.089 7和0.012 6。

2.5 計算工況

在進行斜風(fēng)作用下結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載響應(yīng)分析時，根據(jù)橋塔阻力系數(shù)的CFD計算結(jié)果，選取β=0°和β=90°作為計算風(fēng)偏角，如圖1所示。

圖1 風(fēng)偏角示意圖(為風(fēng)偏角)

3 計算截面確定

選擇如圖2所示計算斷面作為風(fēng)荷載響應(yīng)控制斷面，針對每一計算工況分別給出對應(yīng)各計算斷面的風(fēng)荷載響應(yīng)。各關(guān)鍵斷面的坐標(biāo)見表1，其中X是沿順橋向的坐標(biāo)軸；Y是沿豎向的坐標(biāo)軸；Z是沿橫橋向的坐標(biāo)軸。

圖2 成橋狀態(tài)計算截面位置及節(jié)點示意圖

響應(yīng)編號截面點坐標(biāo)X/mY/mZ/m截面點位置內(nèi)力1-60.0-0.340.0主梁左端20.0-0.040.0塔梁交接處主梁截面3120.00.560.0主梁右端40.0-13.8289.0橋塔處外側(cè)主墩墩底50.0-13.828-9.0橋塔處內(nèi)側(cè)主墩墩底位移6-30.0-0.190.0左邊邊跨(60m)跨中761.00.2650.0右邊主跨(120m)跨中8-17.34164.7170.0主塔塔頂

4 風(fēng)荷載計算

4.1 主梁風(fēng)荷載計算

主梁在斜風(fēng)作用下，將風(fēng)速分解為順橋向和垂直于橋向兩個方向的風(fēng)速，計算對應(yīng)順橋向和橫橋向風(fēng)荷載，同時作用到有限元模型上。

(1)順橋向風(fēng)速部分，風(fēng)荷載計算如式(3)

(3)

(2)橫橋向風(fēng)速部分，風(fēng)荷載計算如式(4)

橫向力：

(4)

豎向力：

(5)

力矩：

(6)

式中：V10為橋位10m高度處100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速，33.7m/s；α為地表粗糙度指數(shù)，α=0.16；Cf為摩擦系數(shù)，Cf=0.02；s為主梁周長，為105m；CD為主梁阻力系數(shù)，CD=0.740 8；CL為主梁升力系數(shù)，CL=-0.089 7；CM為主梁升力矩系數(shù)，CM=0.012 6；H為主梁梁高，H=2.5m；B為主梁梁寬，B=51.6m；GVA為順橋向等效靜陣風(fēng)系數(shù)，GVA=1.31；GVT為橫橋向等效靜陣風(fēng)系數(shù)，GVT=1.31。

4.2 橋塔風(fēng)荷載計算

(1) 順橋向風(fēng)速部分，風(fēng)荷載計算如式(7)

·cos(β)·CDX·Bpylon

(7)

(2) 橫橋向風(fēng)速部分，風(fēng)荷載計算如式(8)

·cos(β)·CDZ·Bpylon

(8)

式中：V10為橋位10m高度處100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速，為33.7m/s；α為地表粗糙度指數(shù)，α=0.16；CDX為橋塔順橋向阻力系數(shù)； CDZ為橋塔橫橋向阻力系數(shù)；Bpylon為橋塔單元橫風(fēng)向?qū)挾龋籊VA為順橋向等效靜陣風(fēng)系數(shù)，GVA=1.31；GVT為橫橋向等效靜陣風(fēng)系數(shù)，GVT=1.31。

以上得出的是有限元模型中每個橋塔單元上作用的均布力靜陣風(fēng)荷載。

4.3 斜拉索風(fēng)荷載計算

斜拉索在斜風(fēng)作用下，將風(fēng)速分解為順橋向和垂直于橋向兩個方向的風(fēng)速，然后分別計算對應(yīng)順橋向和橫橋向的風(fēng)荷載，同時作用到計算模型。

(1)順橋向風(fēng)速部分，風(fēng)荷載計算如式(9)

·sin(β)·CD·HP·D

(9)

(2)橫橋向風(fēng)速部分，風(fēng)荷載計算如式(10)

·cos(β)·CD·HP·D

(10)

式中：V10為橋位10m高度處100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速，V10=33.7m/s；α為地表粗糙度指數(shù)，α=0.16；CDX為斜拉索的順橋向阻力系數(shù)；CDZ為斜拉索的橫橋向阻力系數(shù)；β為對應(yīng)風(fēng)偏角；Hp為斜拉索單元的投影高度；D為斜拉索的直徑；GVA為順橋向等效靜陣風(fēng)系數(shù)，GVA=1.31；GVT為橫橋向等效靜陣風(fēng)系數(shù)，GVT=1.31。

斜拉索的順橋向阻力系數(shù)以及橫橋向阻力系數(shù)按《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》取值，都取0.8。

4.4 等效靜陣風(fēng)荷載響應(yīng)(含自重)

本部分針對成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進行了靜陣風(fēng)荷載響應(yīng)。不同構(gòu)件單元坐標(biāo)系中單元坐標(biāo)軸在整體坐標(biāo)系下的方向見表2，對應(yīng)的各計算工況的風(fēng)荷載響應(yīng)結(jié)果見表3和表4。

表2 各個構(gòu)件單元坐標(biāo)軸在整體坐標(biāo)系下的方向

主要構(gòu)件XYZ主梁順橋向豎向橫橋向橋塔豎向順橋向橫橋向

表3 成橋狀態(tài)風(fēng)荷載響應(yīng)結(jié)果(風(fēng)偏角β=0°)

表4 成橋狀態(tài)風(fēng)荷載響應(yīng)結(jié)果(風(fēng)偏角β=90°)

續(xù)表4

5 結(jié) 論

該橋已于2011年6月建成通車，抗風(fēng)效果良好。大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，往往對風(fēng)荷載十分敏感。然而采用隨機振動理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，往往比較復(fù)雜。利用等效靜陣風(fēng)荷載計算了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)，為橋梁的設(shè)計提供了依據(jù)，對同類工程具有一定的借鑒意義。

[1] 向海帆.現(xiàn)代橋梁抗風(fēng)理論與實踐[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2] 中華人民共和國交通部.公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范(JTG/T D60-1-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.

2016-05-18

楊承海(1983-)，男，山西陽泉人，工程師，從事橋梁設(shè)計與研究。

U442

C

1008-3383(2017)03-0101-03