大跨度斜拉橋懸臂施工抗風(fēng)措施研究

摘"要：大跨度斜拉橋懸臂施工過程中在風(fēng)荷載作用下會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，影響斜拉橋的線性與受力性質(zhì)。通過在大跨度斜拉橋最大懸臂狀態(tài)下布置斜拉索，在不影響斜拉橋預(yù)拱度的情況下控制其側(cè)向位移。以某懸臂施工的斜拉橋?yàn)槔?，利用有限元軟件建立全橋的有限元模型，加入等效?jì)算的風(fēng)荷載和斜拉索。計(jì)算分析布置斜拉索的數(shù)量及最適合的角度范圍。其中，布置角度為20°～25°和30°～35°之間的2對(duì)斜拉索時(shí)，對(duì)斜拉橋側(cè)向位移控制程度較高并且對(duì)斜拉橋預(yù)拱度產(chǎn)生不利影響較低，為提高懸臂施工的斜拉橋施工階段的抗風(fēng)性能提供了參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋"懸臂施工"抗風(fēng)措施"有限元分析

Research"on"Wind"Resistance"Measures"for"Cantilever"Construction"of"Long-Span"Cable-Stayed"Bridges

LIN""Yichen1""ZHOU"Lei2

1.Department"of"Architectural"Engineering，"Hebei"Vocational"University"of"Industry"and"Technology，"Shijiazhuang，"Hebei"Province，"050000"China;2."Hangzhou"East"New"City"Construction"Investment"Co.，"Ltd.，"Hangzhou，"Zhejiang"Province，"310000"China

Abstract："In"the"cantilever"construction"process"of"long-span"cable-stayed"bridge，"significant"lateral"displacement"will"be"generated"under"the"action"of"wind"load，"which"affects"the"linearity"and"mechanical"properties"of"cable-stayed"bridge."By"arranging"stay"cables"in"the"maximum"cantilever"state"of"the"long-span"cable-stayed"bridge，"its"lateral"displacement"is"controlled"without"affecting"the"pre-camber"of"the"cable-stayed"bridge"as"much"as"possible."In"this"paper，"a"cable-stayed"bridge"with"cantilever"construction"is"taken"as"an"example，"and"the"finite"element"model"of"the"whole"bridge"is"established"by"using"finite"element"software，"and"the"equivalent"calculation"of"wind"load"and"the"designed"cable-stayed"cable"are"added"to"calculate"and"analyze"the"number"of"cables"and"the"most"suitable"angle"range."Among"them，"when"two"pairs"of"cable-stayed"cables"are"arranged"at"angles"between"20"°～25"°"and"30"°～35"°，"the"control"of"lateral"displacement"of"the"cable-stayed"bridge"is"relatively"high"and"the"adverse"effect"on"the"pre-camber"of"the"cable-stayed"bridge"is"low，"which"provides"a"reference"for"improving"the"wind"resistance"of"the"cable-stayed"bridge"in"the"construction"stage"of"cantilever"construction.

Key"Words："Cable-stayed"bridges;"Cantilever"construction;"Wind"resistance"measures;

Finite"element"analysis

中圖分類號(hào)：U445.4"""""""文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

斜拉橋在施工階段的抗風(fēng)性能低于成橋階段，特別是某些采用懸臂施工方法的大跨度斜拉橋在施工至最大懸臂狀態(tài)時(shí)，由于橫向風(fēng)荷載的作用會(huì)產(chǎn)生較大的側(cè)向位移。陳玉江[1]研究發(fā)現(xiàn)最大單懸臂狀態(tài)下斜拉橋的豎向位移響應(yīng)和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)隨風(fēng)速的增加而增大。李正[2]驗(yàn)證了阻力系數(shù)不影響斜拉橋抗風(fēng)穩(wěn)定性，升力系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)、斜拉索與橋塔風(fēng)荷載、二期恒載對(duì)斜拉橋抗風(fēng)穩(wěn)定性有影響。簡(jiǎn)斌[3]通過風(fēng)洞試驗(yàn)系統(tǒng)研究了風(fēng)速、風(fēng)偏角和橋塔干擾效應(yīng)對(duì)施工期斜拉橋抖振響應(yīng)的影響。劉旭政等人[4]研究發(fā)現(xiàn)增設(shè)臨時(shí)風(fēng)纜可使主梁豎彎基頻提高22.0%～32.5%對(duì)結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)基頻的影響效果不顯著；臨時(shí)風(fēng)纜對(duì)主梁豎向位移和主塔順橋向位移控制有一定作用，固定位置在主梁最大懸臂長(zhǎng)度的80%～90%范圍內(nèi)的效果較好。李曄等人[5]研究發(fā)現(xiàn)輔助墩、斜撐、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和抗風(fēng)拉索的減振效率依次遞減。劉澤舉等人[6]對(duì)斜拉橋成橋與施工最大單懸臂狀態(tài)進(jìn)行靜風(fēng)失穩(wěn)全過程分析。

本文以某懸臂施工的大跨斜拉橋?yàn)槔?，建立全橋模型，?duì)斜拉橋在風(fēng)荷載的作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移與斜拉橋懸臂端的下?lián)线M(jìn)行計(jì)算，詳細(xì)比較了設(shè)置不同數(shù)量的斜拉索時(shí)不同角度的斜拉索對(duì)斜拉橋側(cè)向位移的控制程度，以及其對(duì)預(yù)拱度產(chǎn)生的不利影響程度。

1"工程概況

主梁采用鋼-組合箱梁，橋塔采用寶瓶型鋼筋混凝土塔，橋塔建在距離黃河岸邊70"m的位置處；斜拉索選用高強(qiáng)度平行鋼絲，呈平面扇形分布，中央索面布置。塔端錨固于上塔柱以及上塔柱中的鋼錨梁上，梁端錨固與鋼主梁內(nèi)的鋼錨箱上，主橋采用塔墩固結(jié)，塔梁分離的半漂浮體系，主梁與橋塔下橫梁之間設(shè)置一定數(shù)量的支座。

（1）為橋梁或構(gòu)件基準(zhǔn)高度Z處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速；為橋梁設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，取28.6"m/s；為橋址處的地表粗糙度系數(shù)，橋址處地表粗糙度為B類，取0.16；為抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，根據(jù)橋梁抗風(fēng)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域，取1.02。，氣動(dòng)豎向力，氣動(dòng)扭轉(zhuǎn)力矩，計(jì)算公式分別為：（2）（3）（4）（5）為空氣密度，取1.25"kg/m3；為等效靜陣風(fēng)風(fēng)速；為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，取前文計(jì)算結(jié)果34.77"m/s；為等效靜陣風(fēng)系數(shù)，取1.24；為主梁橫向力系數(shù)，取1.3；為主梁豎向力系數(shù)，取0.3；為主梁扭轉(zhuǎn)力系數(shù)，取0.05；2"數(shù)值模擬分析

利用有限元軟件建立全橋有限元模型，具體如下。主梁和橋墩采用自定義截面的梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，斜拉索利用恩斯特公式修正過的等效桁架單元進(jìn)行模擬。由于設(shè)置斜拉索時(shí)，選擇將斜拉索錨固在橋面板上，所以，斜拉索與橋面板的連接選用一般連接中的剛性。橋墩與地面之間選擇一般支撐，限制x、y、z"3個(gè)方向的位移與轉(zhuǎn)動(dòng)。風(fēng)荷載利用節(jié)點(diǎn)荷載中的方向進(jìn)行加載。建立的全橋模型如圖1所示。

3"施工措施研究

斜拉索布置原則為：盡量選擇施工現(xiàn)場(chǎng)已有的鋼材作為斜拉索的材料；斜拉索布置盡量簡(jiǎn)單，盡可能減少對(duì)施工空間的影響；施工過程中，在懸臂長(zhǎng)度較小階段可不設(shè)置斜拉索，盡量減小由于設(shè)置斜拉索帶給斜拉橋預(yù)拱度的不利影響。

3.1"布置1對(duì)斜拉索

選擇設(shè)置斜拉索的角度時(shí)，如果角度過小，則會(huì)對(duì)斜拉橋的預(yù)拱度產(chǎn)生較大的不利影響；如果角度過大，則無法有效控制斜拉橋的側(cè)向位移。所以，在設(shè)置1對(duì)斜拉索時(shí)，首先將角度梯度分別設(shè)置為10°、15°、20°、25°，并對(duì)斜拉橋的側(cè)向位移和上撓進(jìn)行試算，結(jié)果如表1所示。

由表1知，斜拉橋的側(cè)向位移隨著角度的增大，呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢(shì)，在15°時(shí)側(cè)向位移最小，為23.51"mm，相比不加入風(fēng)攬時(shí)側(cè)向位移的28.55"mm，減少18%。由于設(shè)置斜拉索對(duì)斜拉橋下?lián)袭a(chǎn)生的不利影響隨著角度的增加而不斷減?。航嵌葹?0。時(shí)，斜拉橋上撓受到的不利影響最大，為33%；15°～25°之間時(shí)，斜拉橋預(yù)拱度受到的不利影響相對(duì)較小，分別為15%、8%、5%。

布置1對(duì)斜拉索時(shí)，綜合考慮斜拉索對(duì)側(cè)向位移的控制和自身預(yù)拱度的不利影響，可將斜拉索的角度設(shè)置在15°～20°之間，可減少20%左右的側(cè)向位移，對(duì)自身預(yù)拱度的影響為15%左右。

3.2"布置2對(duì)斜拉索

僅布置1對(duì)斜拉索時(shí)，對(duì)斜拉橋側(cè)向位移的控制程度較低，無法滿足側(cè)向位移較大的斜拉橋的設(shè)計(jì)要求，故考慮布置2對(duì)斜拉索。

布置2對(duì)斜拉索時(shí)，綜合考慮布置2對(duì)角度不同的斜拉索之間相互影響：先從10°、30°、50°、70°、90°中任取兩個(gè)度數(shù)，布置斜拉索進(jìn)行試算，并通過對(duì)側(cè)向位移的控制和斜拉橋預(yù)拱度受到的不利影響來確定斜拉索設(shè)置的大范圍。不同角度的斜拉索的側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果如表2所示，上撓計(jì)算結(jié)果如表3所示。

由表2、表3中的數(shù)據(jù)可知，對(duì)于某一固定角度的斜拉索，其側(cè)向位移隨著另一對(duì)斜拉索角度的增大而增大，故布置2對(duì)斜拉索的角度宜選取1組較小的角度。從對(duì)斜拉橋的預(yù)拱度產(chǎn)生的不利影響來看：對(duì)于某一固定角度的斜拉索，其受到的不利影響隨著另一對(duì)斜拉索的角度的增大而減小。但是，設(shè)置10°的斜拉索對(duì)斜拉橋的預(yù)拱度產(chǎn)生的不利影響較大，為37%，故盡量不設(shè)置10°的斜拉索。

從前文的計(jì)算結(jié)果可知，設(shè)置2對(duì)斜拉索時(shí)，宜采用1對(duì)斜拉索的角度為30°左右，1對(duì)斜拉索的角度為50°左右。為確定設(shè)置斜拉索的更為精確的范圍，現(xiàn)在30°和50°范圍內(nèi)設(shè)置較小的角度梯度進(jìn)行試算，斜拉橋側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果如表4所示，上撓計(jì)算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表4和表5的計(jì)算結(jié)果可知，選取2對(duì)斜拉索的角度越小，斜拉橋的側(cè)向位移降低的越多。其中，選取15°和30°這一組度數(shù)的斜拉索時(shí)側(cè)向位移最小，可減少43%。選取2對(duì)斜拉索時(shí)，布置15°的斜拉索都會(huì)對(duì)斜拉橋預(yù)拱度產(chǎn)生較大的不利影響，平均為21%。但是，選取20°和30°的斜拉索時(shí)，側(cè)向位移比選取15°時(shí)僅減少3%，對(duì)斜拉橋預(yù)拱度的不利影響可降低11%。同時(shí)，考慮對(duì)斜拉橋的側(cè)向位移控制程度與對(duì)斜拉橋預(yù)拱度的不利影響的情況下，在選取2對(duì)斜拉索時(shí)，1對(duì)斜拉索的角度為20°～25°，1對(duì)斜拉索的角度為30°～35°，側(cè)向位移可降低40%，對(duì)預(yù)拱度產(chǎn)生的不利影響為10%。

3.3"布置3對(duì)斜拉索

結(jié)合布置1對(duì)和2對(duì)斜拉索時(shí)的計(jì)算結(jié)果及規(guī)律，現(xiàn)選擇部分角度對(duì)布置3對(duì)斜拉索的情況進(jìn)行試算。從20°、25°、30°、35°中選取3個(gè)角度布置斜拉索，計(jì)算斜拉橋的側(cè)向位移和預(yù)拱度結(jié)果如下：布置20°、25°、30°的斜拉索時(shí)側(cè)向位移為16.05"mm，上撓為50.75nbsp;mm；布置20°、25°、35°的斜拉索時(shí)側(cè)向位移為16.16"mm，上撓為54.73"mm；布置20°、30°、35°的斜拉索時(shí)側(cè)向位移為16.30"mm，上撓為55.93"mm；布置25°、30°、35°的斜拉索時(shí)側(cè)向位移為17.56"mm，上撓為56.21"mm。

由計(jì)算結(jié)果可知，布置3對(duì)斜拉索時(shí)，對(duì)斜拉橋側(cè)向位移的降低程度為43%，與布置兩根斜拉索時(shí)降低的40%差別不大，且對(duì)斜拉橋預(yù)拱度的不利影響也無較大變化，故盡量不考慮布置3對(duì)斜拉索控制斜拉橋的側(cè)向位移。

4"結(jié)語(yǔ)

大跨度斜拉橋在有風(fēng)的狀態(tài)下，施工到最大懸臂狀態(tài)或接近最大懸臂狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生的側(cè)向位移可通過設(shè)置不同數(shù)量和角度的斜拉索進(jìn)行控制，現(xiàn)得出如下結(jié)論：

（1）綜合考慮布置1對(duì)、2對(duì)、3對(duì)斜拉索的計(jì)算結(jié)果：布置2對(duì)斜拉索相較于布置1對(duì)斜拉索時(shí)對(duì)側(cè)向位移的降低程度更為明顯，相對(duì)布置3對(duì)斜拉索時(shí)效率更高，且對(duì)斜拉橋自身預(yù)拱度產(chǎn)生的不利影響也無較大變化。

（2）斜拉橋產(chǎn)生的側(cè)向位移較小時(shí)，可設(shè)置1對(duì)角度在15°～20°之間的斜拉索；斜拉橋產(chǎn)生的側(cè)向位移較大時(shí)，可選擇設(shè)置2對(duì)斜拉索，1對(duì)斜拉索的角度宜為20°～25°，另1對(duì)斜拉索的角度宜為30°～35°。

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