大跨度橋梁施工抗風(fēng)設(shè)計(jì)研究

周崢

（重慶市設(shè)計(jì)院 重慶渝中 400015）

風(fēng)是大氣的運(yùn)動(dòng)，也是許多災(zāi)難發(fā)生的原因，許多建筑工程安全事故的都是因?yàn)轱L(fēng)造成的，尤其是橋梁工程安全事故更是如此。橋梁結(jié)構(gòu)是承受荷載的一項(xiàng)綜合體，其與風(fēng)的相互作用是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程中，橋梁與風(fēng)相互過(guò)程中受結(jié)構(gòu)外形、風(fēng)大小、結(jié)構(gòu)振動(dòng)等各項(xiàng)因素的制約。風(fēng)的作用會(huì)對(duì)大跨徑橋梁工程的最終質(zhì)量造成直接影響。由此可見(jiàn)，在大跨徑橋梁建設(shè)過(guò)程中，做好施工抗風(fēng)設(shè)計(jì)的研究設(shè)計(jì)是必要的。

1 風(fēng)的作用

1.1 風(fēng)的靜態(tài)作用

風(fēng)的靜態(tài)作用指的是風(fēng)作于結(jié)構(gòu)時(shí)，勻速部分在在結(jié)構(gòu)物上的作用，從而形成的經(jīng)驗(yàn)效應(yīng)，依據(jù)實(shí)際作用方面的區(qū)別，可以分為橫向、縱向風(fēng)力和風(fēng)的具體扭矩。橫向風(fēng)力對(duì)橋梁工程會(huì)造成較大危害，其也是抗風(fēng)設(shè)計(jì)的一項(xiàng)重要內(nèi)容?？v向風(fēng)力作用結(jié)構(gòu)上，結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用的變化并不明顯[1]。在分析橋梁結(jié)構(gòu)靜態(tài)荷載時(shí)，通?？梢詫L(fēng)荷載轉(zhuǎn)變?yōu)殪o態(tài)風(fēng)荷載，將其作用在橋梁結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，完成對(duì)橋梁工程情況的實(shí)際分析。

1.2 風(fēng)的動(dòng)態(tài)作用

動(dòng)態(tài)風(fēng)作用主要分為以下兩種類(lèi)型：

（1）自動(dòng)振動(dòng)。橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)作用下，結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生振動(dòng)，該振動(dòng)的發(fā)生，將會(huì)對(duì)周?chē)目諝庠斐梢欢ǔ潭扔绊?，使空氣也發(fā)生振動(dòng)，而結(jié)構(gòu)自身發(fā)生的振動(dòng)又在空氣振動(dòng)中獲取能量，從而結(jié)構(gòu)將會(huì)出現(xiàn)持續(xù)振動(dòng)，例如，常見(jiàn)的顫振、渦激共振等，這對(duì)會(huì)對(duì)橋梁工程結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性造成不良影響[2]。

（2）強(qiáng)迫振動(dòng)。橋梁結(jié)構(gòu)在有脈沖性、非持續(xù)風(fēng)作用下，最終形成具有一定振幅的隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng)。同時(shí)，在該過(guò)程中，振動(dòng)具有較強(qiáng)的不確定性，此時(shí)受這種脈沖作用影響，形成隨機(jī)振動(dòng)。

2 大跨度橋梁自身動(dòng)力特性

2.1 選定邊界條件

結(jié)構(gòu)力學(xué)分析是否正確，在一定程度上取決于力學(xué)模型是否正確，主要包括的內(nèi)容有，支撐條件是否能夠真實(shí)反映結(jié)構(gòu)的具體情況，同時(shí)在該過(guò)程中可以合理的對(duì)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)化和抽象化，并且保證結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和剛度能夠符合要求。

2.2 橋梁主要斷面中的慣性矩

對(duì)橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)最重要的是主梁最低階對(duì)稱(chēng)和反對(duì)稱(chēng)的豎向彎曲、側(cè)向彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)。斜拉橋中，主梁側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)通常耦合較為強(qiáng)烈，在該過(guò)程中，凹避免將側(cè)彎為柱稍帶扭矩的振型看作扭矩，以免對(duì)結(jié)構(gòu)分析造成不良影響。

2.3 橋梁自振頻率

橋梁工程在施工或成橋狀態(tài)，因?yàn)槭芰^(qū)域和受力體系都有所不同，這也就會(huì)導(dǎo)致自振頻率會(huì)出現(xiàn)較大區(qū)別[3]。通過(guò)分析動(dòng)力特性，獲取到自振頻率，確保分析結(jié)果的可靠性。從而為快速對(duì)結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能進(jìn)行判斷，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持。

3 橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的具體工作

橋梁抗非設(shè)計(jì)主要工作主要幾種在以下幾個(gè)方面：

（1）獲取當(dāng)?shù)氐臍庀筚Y料，要對(duì)基本風(fēng)速以及橋梁構(gòu)件設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速加以確定。

（2）依據(jù)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，從而對(duì)作用在橋梁構(gòu)件上的具體靜陣風(fēng)荷載情況進(jìn)行確定，為橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支持。

（3）對(duì)橋梁基頻進(jìn)行合理估算，驗(yàn)算橋梁靜力穩(wěn)定性，通過(guò)驗(yàn)算后，應(yīng)當(dāng)針對(duì)橋梁自身有可能會(huì)出現(xiàn)的動(dòng)力相應(yīng)，完成相應(yīng)的動(dòng)力影響驗(yàn)算，確保各項(xiàng)數(shù)據(jù)信息的準(zhǔn)確性。

（4）如果在橋梁工程具體設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)出現(xiàn)了動(dòng)力響應(yīng)，要提高結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能[4]。從實(shí)際情況來(lái)看，可以利用氣動(dòng)措施、結(jié)構(gòu)措施、機(jī)械措施等方式提高機(jī)構(gòu)抗風(fēng)能力。

4 大跨度橋梁工程施工抗風(fēng)設(shè)計(jì)工程實(shí)例

4.1 工程概況

某大跨度橋梁工程為連續(xù)跨越航道，橋梁工程的柱主橋采用的為變截面預(yù)應(yīng)力混凝土T型剛構(gòu)，橋梁的寬度為8.5m，橋梁的最大坡度為7.18%；橋梁工程中主橋的共用墩和剛構(gòu)采用的都為矩形薄壁空心墩，考慮到橋梁工程所在區(qū)域的具體情況，為了提高橋梁工程的整體質(zhì)量，采取群樁基礎(chǔ)，同時(shí)采取懸臂澆筑方案完成上部箱梁施工。

4.2 橋梁工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

4.2.1 橋梁施工過(guò)程中的荷載作用分析

通過(guò)對(duì)橋梁工程的具體情況進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，懸臂施工期間，T型剛構(gòu)橋梁始終都處于單墩支撐狀態(tài)，在該狀態(tài)下，懸臂上荷載的改變會(huì)對(duì)橋梁內(nèi)力造成較大影響，同時(shí)會(huì)對(duì)橋梁工程施工過(guò)程中，結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)穩(wěn)定性，以及施工的具體安全性產(chǎn)生直接影響[5]。由此可見(jiàn)，要對(duì)橋梁工程施工過(guò)程中，懸臂施工期間出現(xiàn)的各種荷載工況進(jìn)行充分考慮，并且要做好預(yù)算，保證施工期間不會(huì)出現(xiàn)任何安全問(wèn)題[6]。需要施工人員注意的是，在實(shí)際合攏前，T構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)，此時(shí)，梁端荷載的作用力壁最大，因此應(yīng)當(dāng)將該項(xiàng)內(nèi)容作為施工預(yù)算的控制階段。在橋梁工程設(shè)計(jì)施工過(guò)程中，對(duì)橋墩穩(wěn)定性會(huì)造成影響的荷載主要有以下幾種：

（1）梁體澆注存在誤差，將會(huì)造成自重不均勻荷載。

（2）掛籃不同不同轉(zhuǎn)移，以及工程施工過(guò)程中采用不對(duì)稱(chēng)堆放，從而會(huì)在豎向上出現(xiàn)不均勻施工荷載[7]。

（3）梁段混凝土在實(shí)際澆筑過(guò)程中，因?yàn)檫M(jìn)度存在一定的差異，從而會(huì)引起橋梁結(jié)構(gòu)在豎向上出現(xiàn)了不均勻荷載。

（4）橋梁工程施工期間，因?yàn)槭┕と藛T的操作原因，各項(xiàng)技術(shù)問(wèn)題，導(dǎo)致施工中使用掛籃發(fā)生墜落，形成反向沖擊荷載，影響工程質(zhì)量。

（5）受豎向風(fēng)荷載作用的影響，將會(huì)造成橋墩橫向出現(xiàn)不均勻荷載。

（6）橫向風(fēng)荷載作用的存在，將會(huì)使橋墩在橫向上出現(xiàn)不均勻荷載。同時(shí)設(shè)計(jì)分析情況來(lái)看，前四種荷載的取值計(jì)算起來(lái)相對(duì)來(lái)說(shuō)比較容易，而風(fēng)荷載不僅計(jì)算復(fù)雜，而且容易被忽視[6]。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)重點(diǎn)論述最大懸臂施工狀態(tài)抗風(fēng)計(jì)算。

4.2.2 計(jì)算最大懸臂施工狀態(tài)抗風(fēng)

（1）設(shè)計(jì)風(fēng)速

該橋梁工程位于運(yùn)河上，河道整體比較開(kāi)闊，并且容易形成東西方向的風(fēng)道，因此，在實(shí)際施工過(guò)程中，基本風(fēng)速采用的為100年重現(xiàn)期風(fēng)速，即V10=27.2m/（s風(fēng)速重現(xiàn)期系數(shù)k0=0.75）。

（2）橫橋向風(fēng)荷載

在具體分析過(guò)程中，對(duì)于橫橋向風(fēng)荷載，應(yīng)當(dāng)假定水平垂直作用在橋梁各個(gè)部分的迎風(fēng)面積上，標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算通過(guò)公式（1）進(jìn)行。

Fwh=k0k1k2WdAwh（1）

在公式（1）中，k1為風(fēng)載阻力系統(tǒng)，其與橋梁工程中的寬和高的具體比值有著直接聯(lián)系，本工程依據(jù)1.8次拋弧線進(jìn)行分析，因此，不同梁箱分段中的K1的值都各不相同，具體情況如圖1所示。

圖1 風(fēng)載阻力系數(shù)k1

K2表示的為地面粗糙度的具體類(lèi)別情況，以及梯度風(fēng)的具體風(fēng)速高度變化修正系數(shù)，具體數(shù)值如圖2所示。

圖2 修正系數(shù)K2

橋梁工程工程中主梁采用的為1.8次拋物線變化，這也就使橋梁橫向風(fēng)載實(shí)際標(biāo)準(zhǔn)值會(huì)隨著梁高的變化而發(fā)生一定程度的改變。此外，設(shè)計(jì)過(guò)程中，需要對(duì)不均勻風(fēng)荷載進(jìn)行充分考慮，通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，橋梁左側(cè)承受100%風(fēng)荷載，橋梁右側(cè)則承受50%的風(fēng)荷載。最重的計(jì)算荷載如圖3所示。

圖3 計(jì)算結(jié)果

4.3 計(jì)算橋墩坑扭性

橋墩在橫向風(fēng)荷載作用的影響下，產(chǎn)生的扭矩為10069kN·m，剪力大小為992kN。橋墩坑扭承載力大小為20380kN·m，可以滿(mǎn)足規(guī)范的具體要求。

除此之外，考慮橫向風(fēng)險(xiǎn)載情況下的具體抗扭能力。在實(shí)際分析過(guò)程中，假定橋梁工程的左側(cè)承受的風(fēng)荷載的作用為100%，而橋梁工程的右側(cè)則無(wú)風(fēng)，并不會(huì)受到風(fēng)荷載的影響，橫向風(fēng)荷載產(chǎn)生的扭矩大小為20138kN·m，其與橋墩的抗扭承載力20380kN·m相比要略小，因此，能夠滿(mǎn)足橋梁工程的具體，確保橋梁工程在具體應(yīng)用過(guò)程的安全性，從而為人們提供一個(gè)良好的交通環(huán)境。

5 結(jié)束語(yǔ)

現(xiàn)代橋梁工程的結(jié)構(gòu)越來(lái)越復(fù)雜，一些橋梁工程需要建設(shè)在地質(zhì)復(fù)雜的區(qū)域，這也就使一些橋梁工程逐漸向大跨度方向發(fā)展。大跨度橋梁工程結(jié)構(gòu)和跨徑會(huì)呈現(xiàn)出不同的形式，同時(shí)，大跨徑橋梁工程在施工過(guò)程中受到的風(fēng)荷載的作用也十分豐富，以上情況的存在，致使橋梁設(shè)計(jì)中的抗風(fēng)設(shè)計(jì)的變得更加重要，同時(shí)具有多樣性。近幾年，隨著大跨度橋梁工程的日益增多，在橋梁工程實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)將抗風(fēng)設(shè)計(jì)貫穿橋梁工程設(shè)計(jì)全過(guò)程，這也為橋梁工程的安全性加設(shè)了一道安全保障，提高橋梁工程的安全性。

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