施工期大跨連續剛構抗臺風構造設計與分析

鄧崇濤，楊冬平

(浙江工業大學 建筑工程學院 杭州市 310014)

0 引言

臺風是臺州比較頻繁的氣象災害，對大跨橋梁結構，尤其是對處于施工狀態下的橋梁造成巨大威脅，保證施工狀態的抗風安全，對主橋結構開展抗風性能研究是完全必要的。楊宇聰，李鑫[1]針對一座跨越臺風區的大跨度斜拉橋施工期的最大單懸臂狀態，設置兩根抗風索進行加固，抑制抖振效果明顯。閻衛國[2]通過計算和試驗研究，對新疆賽吾迭格爾超窄懸索橋的抗風穩定性進行了分析，得出原設計抗風方案不滿足規范的結論，并推薦了抗風措施方案。張曉江[3]對岳口漢江特大橋主橋施工狀態和運營階段的抗風性能進行了研究，驗證了主梁斷面抗風滿足設計要求。何旭輝[4]對蕪湖長江公路大橋施工期和運營期的抗風安全性的抗風性能進行了研究，結果表明設置剛性連接桿可有效提高其動力性能。胡濤[5]針對鋼混凝土結合梁懸索橋，提出在主梁邊箱設置穩定板的措施，可提升梁的抗風穩定性。以上抗風措施多在設計階段已考慮在內，不需考慮安裝和拆卸的復雜工序，且也不一定適用于各種橋型和實際工況。處于風區，因工期延誤及其他各種原因所致無法在預定工期內完成合龍的需要采取臨時抗風措施的橋型[6-7]，應結合現場實際情況采用既能保證結構安全，且安裝拆卸方便的抗風措施。

臺州健跳港大橋由于左右兩幅掛籃橫梁施工間距未合理控制，使施工過程中左右兩幅不能同時施工，必須進行錯位施工，進而導致工期延誤，無法按預定工期在風期前完成合龍，如圖1所示。本研究以該橋施工風期抗臺構造方案設計為背景，從有效提高結構整體剛度的角度及現場實際情況出發，提出新型的利用掛籃孔搭設橫向勁性骨架和桁架，將結構連為整體，方便安裝拆卸的安全經濟的抗臺臨時加固方案。結合工期可能出現的最不利工況，利用Midas對橋梁結構動力特性、施工狀態的靜風荷載進行驗算，并對兩種方案進行比較。

1 工程概況

抗臺構造設計以浙江省臺州健跳港特大橋為背景。橋梁采用(85+160+85)m的預應力鋼筋混凝土(C50)連續剛構，邊中跨比0.53，墩臺均采用徑向布置。箱梁為變截面連續箱梁，箱梁根部梁高9.5m，跨中和端部梁高3.5m，梁高按1.8次拋物線變化，挑臂長度3.65m。

2 風荷載計算

2.1 基本風速

橋位處的基本風速即離地面或水面10m高度，平均百年一遇年最大風速為V10=42.7m/s。從安全角度考慮，健跳港特大橋最長雙懸臂狀態抗臺構造計算采用100年重現期基本風速。

2.2 設計基準風速

健跳港特大橋橋位處的基本風速與浙江省氣候中心的椒江口處的基本風速一致。因此根據椒江口處的數據，取健跳港特大橋橋位處風速剖面指數在60m及以下高度為α=0.158，在60m以上高度為α=0.120。健跳港特大橋的設計基準風速公式為:

(1)

式中，z表示離開地面或水面的以m為單位的高度。健跳港特大橋跨中橋面設計標高(左幅)34.54m，平均低潮位高程-1.84m，跨中橋面距水面高度為36.38m，成橋狀態設計基準風速為52.4m/s。

2.3 靜陣風風速

靜陣風風速計算公式為:

Vg=GvVd

(2)

式中,Gv表示靜陣風系數，與水平加載長度和地表類別有關；Vd表示不同高度處的設計基準風速。健跳港特大橋最長雙懸臂狀態水平加載長度158m，靜陣風系數按B類地表確定為1.298，橋面高度靜陣風風速為68.0m/s。主梁各梁段及橋墩所受靜風荷載見表1。

表1 主梁各梁段及橋墩靜風荷載

3 抗風構造設計

3.1 抗風構造設計思路

劉榕等[8]對大跨度分離式高墩連續剛構的抗風性能研究中指出大跨連續剛構最大雙懸臂狀態的振動頻率往往較低，在施工狀態及成橋狀態需要做相應的減振措施。楊敏[9]、陶天友[10]對大跨度3塔、4塔懸索橋風致抖振研究中指出抖振是橋梁抗風的主要控制因素，且對應于橋梁的低階頻率。故本研究抗風措施從以下三點進行設計：

(1)大跨連續剛構抗風橫橋向抖振位移較大，是抗風的主要控制性因素。

(2)橋梁的縱向抗彎抗剪剛度主要取決于混凝土箱梁，通過連接中跨最大懸臂端可以提升結構的動力性能。

(3)抖振功率譜的主峰值一般與第一階固有頻率相對應。

3.2 抗風構造方案設計

本方案針對具體工況和地理環境，設計橫向勁性骨架支撐和桁架結構支撐兩種設計方案，對最大懸臂端進行加固，把左右兩幅連接為整體來增大結構整體剛度，從而抵抗橫風和和豎風對結構的影響，有效抑制抖振，并利用掛籃孔作為錨固點，方便安裝以及后續的拆卸，如圖3、圖4所示。

支撐安裝位置盡可能靠近懸臂端，橫向勁性骨架支撐根據掛籃孔間距進行布置，桁架支撐用鋼量較大僅在最大懸臂端布置。弦桿可分段制作，現場拼接，綴板僅在橫撐處每2.4m設置一個安裝孔，以確保下弦桿的穩定性，安裝完成后在枕梁下灌注灌漿料使之與箱梁抗剪。

4 有限元分析

4.1 計算工況

考慮到現場實際施工進度情況，風荷載的計算工況左幅邊中跨均合龍、右幅邊中跨均未合龍。合龍狀態如圖5所示。計算模型包括0～23號箱梁梁段、橋墩。主梁和橋墩均采用梁單元，支撐材料均為16#工字鋼，橋墩底部采用固結，主梁和橋墩采用剛性連接,靜陣風風速以均布荷載形式按表1加載。

4.2 動力計算結果分析

使用Midas對健跳港特大橋施工狀況的最不利狀態進行結構動力特性的分析，圖6為三種工況的模型自振頻率對比，結果表明施加更加均勻的橫向勁性骨架的一階頻率明顯提高，雙懸臂結構整體剛度得到了增強，可降低抖振的影響；僅在最大懸臂端施加桁架支撐的一階頻率僅反對稱頻率得到了提高。由動力分析結果可知橫向勁性骨架支撐能更有效地提高結構動力性能。

4.3 靜風計算結果分析

橫向風荷載作用計算結果見表2和圖7～圖9所示，從結果可以看出施加桁架支撐可以降低主梁位移約為0.85cm，施加橫向勁性骨架支撐可以降低主梁懸臂端0.96719cm。兩種抗臺構造在靜風作用下降低主梁位移基本相同。

表2 橫向風荷載作用下主梁最大位移計算結果

5 結論

以健跳港特大橋連續剛構在最大懸臂施工遭遇臺風為研究對象，提出了大型連續剛構抗臺可供參考的相關構造，得到了以下四點結論：

(1)由于周圍有局部受力構造設計，可以充分利用掛籃行走孔作為抗臺臨時加固構造的錨固點；

(2)在靜風荷載作用下，橫向勁性骨架支撐和桁架支撐臨時抗風措施均能增大結構整體剛度，減小最不利位置位移從而抵抗側風作用對結構的影響；

(3)在結構動力響應方面，橫向勁性骨架支撐增大結構低階自振頻率，可以有效抑制抖振對結構的不利影響，而桁架支撐僅反對稱頻率有提高，但用鋼量大，效率不高，且造價較高。

(4)從結構安全、施工便捷及經濟角度考慮，建議大型連續剛構優先選用橫向勁性骨架支撐作為臨時抗風措施。