山區(qū)鋼拱架的抗風(fēng)分析

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院， 重慶 400074）

山區(qū)鋼拱架的抗風(fēng)分析

鄧春華

（重慶交通大學(xué)河海學(xué)院， 重慶 400074）

針對(duì)布拖縣馮家坪村溜索改橋工程鋼拱架未開展地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)地風(fēng)速觀測(cè)和數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算的現(xiàn)狀，通過文獻(xiàn)綜述的方法確定鋼拱架風(fēng)環(huán)境和風(fēng)荷載參數(shù)，對(duì)鋼拱架各施工階段開展抗風(fēng)性能分析。分析結(jié)果表明，鋼拱架的應(yīng)力響應(yīng)結(jié)果較小且都滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求和穩(wěn)定性能要求。

鋼拱架；風(fēng)參數(shù)；文獻(xiàn)綜述；抗風(fēng)分析

0 引言

隨著山區(qū)橋梁的大量修建，山區(qū)橋梁的抗風(fēng)性能研究日益重要。山區(qū)橋梁通常跨越峽谷，橋址區(qū)的風(fēng)特性異常復(fù)雜[1]，目前抗風(fēng)規(guī)范中的相關(guān)規(guī)定不再適用。布拖縣馮家坪村溜索改橋工程鋼拱架位于四川省涼山州布拖縣，跨越金沙江，橋址區(qū)屬于西南山區(qū)典型的峽谷地貌，有陣風(fēng)強(qiáng)烈、端流強(qiáng)度大、風(fēng)攻角大、風(fēng)速沿橋軸線分布不均勻等特點(diǎn)，對(duì)橋梁主體和臨時(shí)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大的不利影響。因此，橋址區(qū)的風(fēng)參數(shù)研究是開展鋼拱架施工階段抗風(fēng)性能分析的關(guān)鍵[2]。

1 風(fēng)環(huán)境和風(fēng)荷載參數(shù)的確定

1.風(fēng)環(huán)境參數(shù)的確定

鋼拱架跨徑260m，拱頂高程765.69m，水面高程580m，橋位所處地形為典型山區(qū)峽谷地形。由于本橋未開展地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)地風(fēng)速觀測(cè)和數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算，因此，鋼拱架頂部設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和其它相關(guān)風(fēng)荷載參數(shù)的取值依據(jù)國(guó)內(nèi)同類型橋梁的參數(shù)擬定[2-4]。將國(guó)內(nèi)典型峽谷地形橋位且開展過地形模型試驗(yàn)或CFD計(jì)算的橋梁風(fēng)參數(shù)取值列于表1中。為使鋼拱架在施工階段具有較高的安全儲(chǔ)備，鋼拱架拱頂設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速取表中最大值34.9m/s；考慮10年風(fēng)速重現(xiàn)期，設(shè)計(jì)風(fēng)速取29.32m/s；參考表1，基于峽谷跨度類似的原則，布拖縣溜索改橋工程所處場(chǎng)地類別取與水盤高速北盤江特大橋相同，為D類場(chǎng)地，靜陣風(fēng)系數(shù)取1.45，則靜陣風(fēng)風(fēng)速為42.51m/s。

2.風(fēng)荷載的確定

受當(dāng)前的計(jì)算條件限制，無法獲得足夠的鋼拱架斷面氣動(dòng)參數(shù)，因此，作用于鋼拱架上的風(fēng)荷載主要考慮靜風(fēng)力和抖振力。由于橋梁結(jié)構(gòu)的主跨縱向?yàn)榫€形結(jié)構(gòu)，其不利風(fēng)荷載主要體現(xiàn)在橫向，主梁（桁架）上的靜陣風(fēng)荷載僅考慮橫橋向風(fēng)荷載[5]。

表1 國(guó)內(nèi)部分峽谷橋位的風(fēng)參數(shù)

2 結(jié)構(gòu)分析

1.有限元模型的建立

鋼拱架包括弦桿、腹桿等部分，其中弦桿采用f 508×16(24)mm的鋼管，腹桿為L(zhǎng) 100×80×10（mm）型鋼。基于ANSYS開展模型建立和分析，采用Beam4單元模擬弦桿和腹桿，采用Link8單元模擬吊索及風(fēng)纜，約束自由度時(shí)，對(duì)鋼拱架兩端、風(fēng)纜錨固點(diǎn)以及背索錨固點(diǎn)采用固結(jié)。模型的建立包含了整體焊接模型以及半焊接模型的建立，其中，半焊接模型指上弦桿焊接上緣一半，下弦桿焊接下緣一半。各個(gè)施工階段的分析模型通過ANSYS中的單元生死實(shí)現(xiàn)，以考慮不同施工階段內(nèi)力重分布特性。

2.結(jié)構(gòu)分析

基于所確定的風(fēng)環(huán)境和風(fēng)荷載參數(shù)，對(duì)鋼拱架各施工階段有限元模型開展結(jié)構(gòu)分析。結(jié)構(gòu)分析包括靜陣風(fēng)響應(yīng)分析、風(fēng)振響應(yīng)分析、穩(wěn)定分析等。分析時(shí)，考慮了結(jié)構(gòu)自重、扣索拉力、風(fēng)纜初拉力、風(fēng)荷載和溫度荷載，其中，風(fēng)纜初拉力經(jīng)試算取80kN，溫度荷載取整體升溫20℃。

結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析部分結(jié)果如表2所示，鋼拱架各構(gòu)件最不利應(yīng)力均來自最大懸臂施工階段6和合龍階段。從表2可知，靜風(fēng)響應(yīng)結(jié)果相近于風(fēng)振響應(yīng)結(jié)果，全焊接狀態(tài)下各構(gòu)件應(yīng)力極值整體比半焊接狀態(tài)下的大。

鋼拱架在全焊接狀態(tài)下各施工階段發(fā)生整體失穩(wěn)的屈曲系數(shù)最小為21.707、最大為38.914，可知鋼拱架各施工階段具有一定的穩(wěn)定性能。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)無條件開展地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)、實(shí)地風(fēng)速觀測(cè)和數(shù)值風(fēng)洞計(jì)算時(shí)，山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和其它相關(guān)風(fēng)荷載參數(shù)可以依據(jù)國(guó)內(nèi)同類型橋梁參數(shù)擬定；

（2）當(dāng)鋼拱架拱頂設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速取34.9m/s、靜陣風(fēng)系數(shù)取1.45并考慮10年風(fēng)速重現(xiàn)期時(shí)，對(duì)鋼拱架各施工階段有限元模型開展結(jié)構(gòu)分析，確定出了風(fēng)纜最優(yōu)初拉力，此時(shí)的鋼拱架應(yīng)力響應(yīng)較小且都滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求和穩(wěn)定性能要求。

[1]陳政清，李春光，張志田等.山區(qū)峽谷地帶大跨度橋梁風(fēng)場(chǎng)特性試驗(yàn)[J]．實(shí)驗(yàn)流體力學(xué)，2008，22（3）：54-59.

[2]徐洪濤.山區(qū)峽谷風(fēng)特性參數(shù)及大跨度桁梁橋風(fēng)致振動(dòng)研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2009.

[3]胡朋.深切峽谷橋址區(qū)風(fēng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)及CFD研究[D].成都:西南交通大學(xué)，2013.

[4]龐加斌，宋錦忠，林志興.山區(qū)峽谷橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2008,21（5）:39-44.

胡峰強(qiáng).山區(qū)風(fēng)特性參數(shù)及鋼桁架懸索橋顫振穩(wěn)定性研究[D].上海：同濟(jì)大學(xué)，2006.

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1007-6344（2017）08-0310-01

鄧春華(1994-)，女，四川資陽(yáng)人，碩士在讀研究生，研究方向?yàn)槌鞘械缆泛蜆蛄汗こ淘O(shè)計(jì)理論與養(yǎng)護(hù)技術(shù)。