大跨徑橋梁施工中空氣靜力的特性研究

鐘煒林

摘要：文章基于大跨徑橋梁施工技術的發展現狀，分析了當前空氣靜力特性理論的研究與應用情況，闡述了空氣靜力穩定性的有限元模型分析方法、結構幾何計算方法以及靜力載荷計算方法，總結了研究中需注意的問題，并通過工程實際案例，完成了空氣靜力特性試驗，研究了橋體主梁空氣靜力載荷與振動臨界風速之間的關系。

關鍵詞：大跨徑;橋梁施工;空氣靜力;研究

中圖分類號：U441 文獻標識碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.041

文章編號：1673-4874（2019）09-0146-04

0引言

隨著我國橋梁工程技術的不斷發展和進步，越來越多高難度、高技術含量的橋梁在不斷施工建設，為提高各地區交通運力、帶動當地經濟發展起到了至關重要的作用。大跨徑橋梁的施工因工程質量高、施工難度大被視為橋梁工程屆的難題.近年來，通過我國工程技術人員的長期探索和工程試驗，在大跨徑橋梁施工方面積累了很多寶貴的經驗，經過該領域的專家和學者們的共同努力，現階段大跨徑橋梁的施工技術已取得了一定的成果并逐漸走向成熟。港珠澳大橋的順利通車使得我國在國際上大跨徑橋梁施工領域中的地位進一步突顯。于2019-05-01前通車的虎門二橋無論在施工技術、施工設備以及施工驗收標準方面都處于國際領先地位，為粵港澳大灣區經濟帶的建設提供了有利支撐。本文以大跨徑橋梁施工技術的發展現狀為研究背景，從大跨徑橋梁施工技術的難點出發，分析了空氣靜力特性理論，通過有限元模型的方法研究了空氣靜力對橋梁的影響。本文研究內容可為大跨徑橋梁施工中的空氣靜力特性研究提供參考，具有相應的工程應用價值。

1大跨徑橋梁施工技術發展現狀

我國橋梁工程在經過30多年的發展之后，橋梁結構在逐漸變輕，橋梁的載荷與跨度在逐漸增加，這與橋梁工程領域新施工材料和施工技術的發展密不可分。新時期為適應各領域建設的需要，如山峰景區、跨海通行等，在大跨徑橋梁的施工與建設方面，對建筑材料、施工工藝、橋梁美學以及橋梁整體質量也提出了更高的要求。當橋梁跨度超過500m時，橋梁的應力幾乎已達到極限值，只有提高施工材料的標號才能適應橋梁跨度增加的需要。在斜拉橋的施工中，可通過使用碳纖維材料代替鋼索的方式來增加橋梁跨度。因此，為不斷滿足日益增加的橋梁跨度需求，使用新型的施工材料和施工工藝是必然趨勢。未來大跨徑橋梁的施工材料將向著強度高、重量輕的方向發展，在載荷能力、抗風險等級方面也均有顯著的提高。

2 空氣靜力特性理論研究與應用情況

新施工技術和施工材料的不斷應用使得橋梁的跨徑在不斷增加，當橋梁的跨徑達到一定值時將給工程主體的施工帶來相應難度，同時也會帶來一系列的工程問題，如空氣靜力特性中結構失穩的情況。空氣靜力失穩情況通常在橋梁遇到強靜風作用時發生，使得橋梁彎曲或扭轉，使橋梁的結構剛度發生改變，同時也改變了橋梁的靜風載荷能力，進一步增加了橋梁結構的形變，并最終引起橋梁結構失穩，橋梁扭轉、移位會進一步造成風攻角的改變，進而反作用于橋體結構的靜風載荷。我國在空氣靜力特性理論方面的研究比較深入，在《大跨徑橋梁施工抗風設計規范》中，對強風情況下的橋梁結構狀態進行了說明，具體來說將橋梁的失穩狀態分為側傾和扭轉兩種，在小變位狀態基礎上通過二維模型推導出失穩狀態的臨界計算公式，也可通過三維建模方法來求得大跨徑橋梁的空氣靜力扭轉極限風速。不同中跨跨徑下的空氣靜力失穩臨界風速對比如表、所示。

3 空氣靜力穩定性的有限元分析方法

隨著計算機和網絡技術的迅速發展，在橋梁工程施工中有限元分析方法也得到了廣泛的應用，并成為研究橋梁結構穩定性的主要方法。常見的有限元分析系統有ANSYS和MIDAS等。本文研究過程采用ANSYS有限元分析方法，討論大跨徑橋梁的空氣靜力穩定性。

3.1橋梁結構有限元模型

有限元模型分析的基本要求是在保證橋梁結構合理的同時簡化計算模型，并維持橋梁結構良好的質量、剛度。以橋梁的主梁施工為例，通常有單梁、雙梁以及三梁等幾種建筑模型。單梁模型較常見，在此模型中，軸線經過主梁的斷面扭心，使得整個梁體剛度、質量分布以及質量慣矩在軸線上集中。該模型在扭轉剛度較大的箱梁中較為適用。依據空間桿系的穩定性理論，橋梁空氣靜力特性問題可歸類為如下非線性方程模型：

（[K]+[K]）{φ}={G} （1）

其中匯[K]代表橋梁彈性剛度矩陣，反映了各單元截面剛度情況;[K]代表橋梁幾何剛度矩陣，與橋梁結構中各單元幾何長度、位置以及各單元自身軸力相關。[K]與[K]將隨著橋梁結構的變化而變化。{G}代表橋體結構所受阻力的函數;{φ}代表阻尼系數.通過迭代法求解此非線性方程。在求解過程中考慮到橋梁結構的空氣靜力響應程度，將阻力、升力以及扭矩按照分段直線的方式擬合。在求解發散風速時，確定攻角后假設初始風速為V，由橋梁空氣靜力響應曲線得到相應的主梁扭轉角度，以此作為新一級風速狀態進行再次計算，直到計算結果收斂為止。而此時求出的風速便是橋梁空氣靜力狀態下的臨界失穩風速。不同臨界風速求解方法的比較分析如表2所示。

3.2結構幾何計算方法

結構幾何計算方法是指橋梁結構的形變達到閾值后，橋梁所受應力和橋體位移之間不再具有線性關系。而且橋梁總體剛度取決于各單元剛度，即某個單元發生位移后，該單元會影響橋梁總體的剛度變化。單元位移變化包括單元的形狀和位置的改變，在某種情況下，剛度和位移彼此影響、相互作用。橋梁結構中面外的剛度受結構面內應力影響較大，面內應力與剛度間共同構成應力剛化。值得注意的是，懸索及吊桿發生應力剛化的程度在橋梁的主跨結構中較為顯著，主跨扭轉位移趨勢曲線如圖1所示。

3.3 靜力載荷計算方法

靜力載荷是指在靜風載荷作用下，橋梁載荷的大小隨橋梁結構的變化而變化的情況。一般而言，大跨徑橋梁施工過程主要包括主梁、懸索以及吊桿等部分，且主梁、懸索以及吊桿部分的施工僅考慮靜力載荷中的阻力因素。假設橋梁在形變過程中上述工序在靜力載荷情況下所受阻力大小恒定，并且將主梁部分所受靜力載荷細分為三個層面的分力，即阻力、升力以及扭矩，則在風速等級不斷增加的過程中，主梁結構將發生扭轉，進而使阻力、升力以及扭矩的計算系數發生改變，最終引起主梁上靜力載荷變化。因此，可將主梁所受靜力載荷視作其形變的函數。主梁靜力系數曲線如圖2所示。

3.4 其他需要注意的問題

（1）體軸坐標系的選用原則

如果選用體軸坐標系進行橋梁靜力載荷計算時，要注意體軸坐標系應與有限元模型計算時所用的坐標系一致，以盡量減少橋梁靜力載荷在各坐標系之間的轉換過程，最大程度上節約計算資源，從而降低求解所耗時間。

（2）體軸坐標系的適用范圍

在體軸坐標系情況下，靜風載荷的計算過程僅與主梁實際發生的扭轉情況有關。具體來說通過主梁的扭轉角來衡量，與風攻角無關。但在風軸坐標系情況下的靜力載荷則與風攻角有關，這里所指的攻角為風的初始攻角。因此，為便于靜力載荷的加載和計算，試驗過程應在體軸坐標系下完成。

4工程實例分析

以廣西柳州某連續箱梁懸索橋工程為例，計算該橋主梁空氣靜力載荷數值。在0°攻角情況下，通過有限元非線性振動分析程序，選取該橋主梁部分節段進行靜力分力（阻力、升力和升力矩）系數測試。其中，橋梁結構的阻尼比為0.5%，分析上述分力對于大跨徑懸索橋的空氣靜力穩定性影響。

4.1工程概況

該橋主跨410m，主纜由五跨構成，成橋情況下跨徑組合為（22.385+152.146+410.0+152.146+22.385）m。主跨的垂跨比為1：9，吊索位于中跨，橋塔側吊索與橋塔中心水平距離為10m，其他吊索的水平距離也為10m。主纜使用平行索股（PPWS）。

4.2 主梁空氣靜力載荷分析

空氣靜力非線性效應對于臨界振動風速的影響分析如表3所示。由表3線性、非線性數據比較可知，空氣靜力與橋體結構彼此作用的非線性結果使橋梁振動的臨界風速提高了3.1m/s，增幅近5%。這表明空氣靜力與橋體結構彼此作用的非線性效果在大跨徑懸索橋的穩定性影響因素中比較顯著。振動臨界風速值的增加，與空氣靜力情況下主梁的扭轉形變產生的負攻角有關。通過工程經驗值可知，在風洞試驗過程中，在攻角為-3°時的穩定性高于0°，主梁的扭轉形變而形成的負攻角對于提高橋體結構的穩定性具有積極作用。當僅考慮靜力非線性而不考慮空氣動力情況時，振動臨界風速相比于線性分析提高了0.7m/s，即振動臨界風速值的提高與橋體結構內力的變化相關。

5 結語

本文以當前我國大跨徑橋梁的施工技術和工程問題為研究背景，對大跨徑橋梁施工中的空氣靜力特性進行了深入研究，在橋梁結構的有限元模型、橋梁結構的幾何計算以及橋梁結構的靜力載荷計算方面進行了詳細討論。在工程實例分析中，通過廣西柳州某連續箱梁懸索橋的空氣靜力特性試驗，闡述了橋體主梁空氣靜力載荷與振動臨界風速之間的關系。本文研究內容可為我國大跨徑橋梁施工中的空氣靜力特性研究提供參考，具有一定的工程實用價值。