風(fēng)荷載作用下斜拉橋懸臂施工力學(xué)性能分析*

王達，李龍閣，劉旺

(長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

斜拉橋具有跨越能力大、受力合理等特點，被大量用于跨河跨海橋梁建設(shè)中。跨海大跨度橋梁的地理環(huán)境及自然氣候較復(fù)雜，對施工進程及安全性有重大影響，其中臺風(fēng)的影響更顯著，在大懸臂狀況下受風(fēng)荷載影響橋梁很可能產(chǎn)生受力破壞甚至失穩(wěn)，需采取抗風(fēng)安全措施。華強等通過橋塔每側(cè)設(shè)2對下拉索+電渦流擺式TMD抗風(fēng)措施來提高斜拉橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性；張新軍等通過增大地錨段主梁長度及邊跨設(shè)置輔助墩來減小主梁位移，進而增強其抗風(fēng)穩(wěn)定性；李宗平通過增設(shè)臨時墩來提高斜拉橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性。目前大跨度橋梁在風(fēng)荷載作用下一般采取增設(shè)臨時墩的方法減小最大懸臂長度，提高橋梁的抗風(fēng)安全性能。該文以廣東水東灣跨海斜拉橋為工程背景，對主橋邊跨設(shè)與不設(shè)臨時墩兩種工況進行仿真分析，研究在最大懸臂狀況下受臺風(fēng)影響時臨時墩對其抗風(fēng)安全性能的影響，驗算結(jié)構(gòu)在最不利荷載組合下的應(yīng)力及位移。

1 工程概況

水東灣跨海特大橋全長約3.333 km，按公路-Ⅰ級標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，雙向六車道。主橋總長628 m，跨徑布置為150 m+328 m+150 m，采用雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力砼梁半漂浮體系。在索塔處，主梁豎向設(shè)置2個雙向活動支座，并在主梁和塔柱之間設(shè)置橫向抗風(fēng)支座；在每側(cè)過渡墩處，主梁豎向設(shè)置1個雙向活動支座和1個單向活動支座。為提高結(jié)構(gòu)的動力性能，在每個塔梁連接處設(shè)置2套縱向限位阻尼器，全橋共4套縱向限位阻尼器。主橋立面布置見圖1。

圖1 水東灣大橋主橋立面布置(單位：高程為m，其他為cm)

主梁采用PK斷面預(yù)應(yīng)力砼，C55砼，其橫斷面見圖2。斜拉索采用高強平行鋼絲拉索，其抗拉標(biāo)準(zhǔn)強度為1 770 MPa，梁端斜拉索索距有7和4.4 m兩種，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長7 m，邊跨現(xiàn)澆段長27 m，中跨合龍段及邊跨合龍段長均為2 m。主梁中心線處梁高3.2 m，邊箱底板寬8.9 m，中間橋面板寬18 m，全寬35.8 m。橫橋向主梁底板水平，橋面設(shè)2%雙向橫坡。標(biāo)準(zhǔn)橫斷面頂板厚30 cm，水平底板厚60 cm，斜底板厚28 cm，中腹板厚40 cm。采用前支點掛籃懸澆，在邊跨合龍前的大懸臂施工階段處于臺風(fēng)期，為保證施工安全，在邊跨處設(shè)置臨時墩。

圖2 水東灣大橋主梁橫斷面(單位：高程為m，其他為cm)

2 臨時墩設(shè)置原則及目的

在大跨徑斜拉橋懸臂施工過程中，由于索塔兩側(cè)的主梁在懸臂澆筑或吊裝時間上存在一定偏差，且主梁各截面設(shè)計構(gòu)造尺寸較大，懸澆砼的重量較大，會產(chǎn)生較大的不平衡荷載，使塔梁受到不平衡彎矩的作用。通過塔梁臨時錨固的措施可抵抗該不平衡彎矩，使其由塔柱和基礎(chǔ)來承受。需注意的是，當(dāng)雙懸臂達到一定長度(150 m以上)時，由于這種不平衡荷載的作用，索塔尤其是索塔根部區(qū)域?qū)a(chǎn)生巨大的傾覆力矩，若有落梁及橫橋向強風(fēng)等非正常荷載情況發(fā)生，則可能導(dǎo)致塔梁受力破壞特別是索塔結(jié)構(gòu)損害。因此，當(dāng)橋梁跨徑較大，雙懸臂澆筑較長，特別是在惡劣環(huán)境下施工時，在不影響通航的情況下在主梁的適當(dāng)位置增設(shè)臨時墩。在主梁施工過程中，將主梁與臨時墩臨時錨固，臨時墩可約束主梁橫向、豎向位移，一旦發(fā)生落梁或橫橋向強風(fēng)等突發(fā)危險，墩梁錨固對主梁的約束作用可改善塔梁受力狀況，進而增強其抗風(fēng)安全性能。該橋位于水東灣壺口地帶，臺風(fēng)來臨時受臺風(fēng)影響較大且主梁施工正好達到大懸臂狀態(tài)，故在主梁邊跨12#階段(距主塔92 m處)增設(shè)臨時墩。

3 風(fēng)荷載分析

3.1 基本風(fēng)速確定

茂名市電白沿海區(qū)域是臺風(fēng)登陸多發(fā)區(qū)，每年受臺風(fēng)影響約3次，最多一年7次。6—10月臺風(fēng)出現(xiàn)的次數(shù)占全年90%以上，其中8—9月最頻繁，占全年50%以上，且風(fēng)速較大，影響范圍廣。沿海地區(qū)風(fēng)力大都在9級以上，并伴有大雨或暴雨。分析近幾年該地區(qū)臺風(fēng)登陸情況，確定主梁需承受的風(fēng)荷載按施工階段設(shè)計風(fēng)速取為42 m/s。

3.2 主梁風(fēng)荷載

3.2.1 主梁等效靜陣風(fēng)

根據(jù)文獻[12]，靜陣風(fēng)風(fēng)速Ug按式(1)計算，其值為54.18 m/s。

Ug=GvUz

(1)

式中：Gv為靜陣風(fēng)系數(shù)，即考慮地面粗糙度、風(fēng)荷載加載長度和構(gòu)件離地高度等因素后的陣風(fēng)系數(shù)，取1.29(A類地表，按較高值取值)；Uz為基準(zhǔn)高度z處的風(fēng)速(m/s)，施工階段設(shè)計風(fēng)速取42 m/s。

3.2.2 主梁上靜陣風(fēng)荷載

由于橫向風(fēng)的作用，在主梁上將產(chǎn)生豎向升力,一旦索塔兩側(cè)主梁上不平衡升力矩超過索塔的承受能力,主梁將傾覆。根據(jù)文獻[12]，靜陣風(fēng)產(chǎn)生的升舉力按式(2)計算。風(fēng)速為42 m/s時，橫向靜陣風(fēng)產(chǎn)生的升舉力Fv=0.5×1.25×54.182×0.5×35.8/1 000=32.84 kN/m。

(2)

式中：Fv為風(fēng)作用在主梁單位長度上的升舉力(N/m)；ρ為空氣密度；Cv為升舉系數(shù)，根據(jù)規(guī)范取較大值0.5；B為橋梁斷面寬度。

3.3 主塔風(fēng)荷載

3.3.1 主塔等效靜陣風(fēng)

根據(jù)文獻[12]，靜陣風(fēng)風(fēng)速按式(3)計算。風(fēng)速為42 m/s時，Vg=1.19×42=49.98 m/s。

Vg=GvVd

(3)

式中：Gv按規(guī)范取較大值1.19。

3.3.2 主塔順橋向等效靜陣風(fēng)荷載

根據(jù)文獻[12]，靜陣風(fēng)荷載按式(4)計算。風(fēng)速為42 m/s時，F(xiàn)g=0.5×1.25×49.982×2.0×700/120=18.21 kN/m。

(4)

式中：CD為構(gòu)件阻力系數(shù)，根據(jù)抗風(fēng)規(guī)范取較大值2.0。

4 抗風(fēng)性能計算分析

4.1 計算模型

根據(jù)文獻[12]，在懸臂施工階段需對主梁最大懸臂狀態(tài)進行分析計算，還應(yīng)考慮不對稱風(fēng)荷載加載情況，不對稱系數(shù)取0.5。考慮兩種最不利加載工況(見圖3、圖4)進行計算分析，其中：工況一為不設(shè)置臨時墩，按最不利情況布載；工況二為設(shè)置臨時墩，按最不利情況布載。同時應(yīng)用有限元軟件MIDAS/Civil建立最大雙懸臂狀態(tài)下三維計算模型(見圖5)。

圖3 工況一下計算簡圖

圖4 工況二下計算簡圖

圖5 有限元計算模型

4.2 計算參數(shù)

最大雙懸臂狀態(tài)下，索塔高120 m，懸臂長121 m；索塔材料為C50砼，主梁為C55砼，砼容重26 kN/m，掛籃自重3 500 kN，中跨16#塊配重1 200 kN，施工階段設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為42 m/s。考慮施工階段荷載(包括自重、預(yù)應(yīng)力、掛籃荷載和壓重)和風(fēng)荷載的共同作用，依據(jù)規(guī)范要求計算結(jié)構(gòu)位移和應(yīng)力，計算中不考慮單懸臂掛籃發(fā)生掉落的情況。

4.3 計算結(jié)果分析

工況一未設(shè)臨時墩，按索塔傾覆最不利情況布載，索塔與主梁截面外緣應(yīng)力見圖6，索塔與主梁位移見圖7。由圖6可知：索塔塔柱根部砼截面外緣出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值2.58 MPa，大于容許值1.83 MPa；最大壓應(yīng)力為17.3 MPa，小于容許值22.4 MPa。主梁砼截面外緣無拉應(yīng)力，截面上緣最大壓應(yīng)力為7.75 MPa，小于容許值24.4 MPa。由圖7可知：索塔塔頂最大偏位214 mm，邊跨主梁最大懸臂端位移為-382 mm，中跨主梁最大懸臂端位移為167 mm(位移以向上為正、向下為負(fù))。

圖6 工況一下主梁與索塔砼截面外緣最大應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖7 工況一下主梁與索塔位移云圖(單位：mm)

工況二設(shè)置臨時墩，按索塔傾覆最不利情況布載，索塔與主梁截面外緣應(yīng)力見圖8，索塔與主梁位移見圖9。由圖8可知：索塔塔柱根部砼截面外緣出現(xiàn)拉應(yīng)力最大值0.54 MPa，小于容許值1.83 MPa；最大壓應(yīng)力為13.3 MPa，小于容許值22.4 MPa。主梁砼截面外緣無拉應(yīng)力，截面上緣最大壓應(yīng)力為7.07 MPa，小于容許值24.4 MPa。由圖9可知：索塔塔頂最大偏位16 mm，邊跨主梁懸臂端最大位移為-70 mm，中跨主梁懸臂端最大位移為-89 mm(位移以向上為正、向下為負(fù))。

圖8 工況二下主梁與索塔砼截面外緣最大應(yīng)力云圖(單位：MPa)

圖9 工況一下主梁與索塔位移云圖(單位：mm)

兩工況下應(yīng)力和位移計算結(jié)果見表1。

表1 兩種工況下的應(yīng)力與位移結(jié)果

4.4 臨時墩支承反力

在最大懸臂施工階段，設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為42 m/s，計算得臨時墩的支承反力見圖10、圖11(反力以向上為正、向下為負(fù))。由圖10、圖11可知：在最不利布載情況下，臨時墩的最大正反力為3 926.4 kN(受壓)，最大負(fù)反力為-881.2 kN(抗拔)。

圖10 臨時墩最大正反力(單位：kN)

圖11 臨時墩最大負(fù)反力(單位：kN)

5 結(jié)論

(1) 不設(shè)臨時墩的情況下，在設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速42 m/s作用下，索塔塔柱底部砼截面最大拉應(yīng)力超過允許值，索塔砼面將出現(xiàn)裂縫，影響橋梁結(jié)構(gòu)的安全性。

(2) 設(shè)置臨時墩，能減小砼截面外緣應(yīng)力，在設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速42 m/s作用下，砼截面應(yīng)力小于設(shè)計容許值，砼表面不會出現(xiàn)裂縫。

(3) 未設(shè)置臨時墩時，塔頂偏位最大214 mm，主梁最大懸臂端位移382 mm；設(shè)置臨時墩后，塔頂偏位最大16 mm，主梁懸臂端最大位移89 mm。臨時墩的設(shè)置可減小結(jié)構(gòu)變形，確保結(jié)構(gòu)安全。