施工階段塔柱橫梁風振抑制效應分析

中圖分類號：U443. 32⁺3 文獻標識碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.044

文章編號：1673-4874（2025）04-0158-04

0 引言

風荷載對大跨度橋梁、超高結構等常起著控制性作用，在風荷載作用下，超高塔斜拉塔柱等高層結構會經歷顯著的變形和振動[]，極端的風振甚至可能導致橋梁結構的破壞，因此有效抑制超高塔斜拉塔柱施工過程中的風振效應至關重要。橫梁的設置能夠改變結構的剛度和質量分布，從而影響風荷載的傳遞路徑和作用效果[2]。深入研究橫梁的影響，有助于確保橋梁結構在風荷載作用下的安全性和穩定性，避免因風振引起的結構損傷或疲勞破壞，從而延長結構的使用壽命[3]。此外，大跨度橋梁的抗風設計不僅要滿足規范的安全要求，還要兼顧經濟實用性和結構性能。研究橫梁對塔柱風振的抑制效應，有助于優化抗風設計，減少結構的風荷載響應，提升結構的抗風性能。盡管已有研究4探討了高層建筑頂部橫梁的風效應，指出橫梁的設計對風振響應有顯著影響，但對大跨斜拉橋塔柱施工階段橫梁的風振抑制效應研究尚不多見。為此，本文依托實際斜拉橋塔柱施工工程項目，通過數值分析對塔柱中橫梁和上橫梁施工期間風荷載作用下的頂部位移變形情況開展研究，分析了橫梁對塔柱的風振抑制效應，為工程施工提供了重要的數據支持和科學依據。

1風壓時程模擬與風振抑制效應分析

1.1 風壓時程模擬

本研究依托工程廣西上林至橫州高速公路在南寧市橫州市境內，距離下游西津水利樞紐4.0km處，跨越郁江的一座特大斜拉橋的塔柱施工工程。其中斜拉橋橋梁及塔柱結構效果圖見圖1。

為了深入探究施工階段塔柱的風振響應，必須模擬其風壓時程曲線，并將其輸入到有限元軟件中，以便計算風振作用下模型的位移偏移量。在任意地貌條件下，對于特定高度 z 處的單位面積風荷載壓力，可以通過式（1）來確定：

w_κ=μ_zμ_sw₀

圖1斜拉橋橋梁及塔柱結構效果圖

式中： ?：μ_z ——在任意地貌條件下特定高度 z 處風壓高度變化系數，計算見式（2）。

μ_s 一一風荷載體形系數，矩形截面見圖2。

圖2風荷載體形系數計算示意圖

Davenport風速譜是公認的描述順風向風速波動的標準模型[5]。全球包括中國在內的眾多國家在制定相關標準時，均使用了這一風速譜。因此，本研究也選用了Davenport風速譜來開展風振分析。為了簡化Davenport風速譜的計算過程，眾多研究者基于Matlab平臺開發了模擬風速時程的程序，這些程序能夠根據Davenport風速譜生成風速、功率譜以及風壓時程曲線。本研究利用該程序，結合廣西地區的歷史風速數據及式（1）、式（2），計算得到了工程現場的風速、功率譜和風壓時程曲線，見圖3至圖5。

圖3風速時程曲線圖

圖4功率譜時程曲線圖

1.2風振抑制效應分析

風振抑制效應是一種工程技術概念，其通過工程設計等手段，有效地減輕風力對橋梁及其他結構物造成的不利振動，進而保障結構物的穩定性和安全性。本研究核心在于探討橫梁在塔柱結構中所發揮的風振抑制效應，深入分析橫梁的結構布局，以評估其在減輕塔柱振動中的實際效能。

在風振作用下，塔柱頂部的水平位移偏移量是衡量塔柱受風振影響程度的一個重要指標。因此，本研究采用有限元軟件MidasCivil，建立了塔柱在中橫梁和上橫梁施工期間各階段的有限元模型。通過這些模型，計算了在風荷載作用下，各施工階段塔柱頂部位置的位移偏移量變化情況，進而深入研究橫梁對塔柱施工階段風振抑制作用的影響。該方法的應用不僅能夠量化橫梁對塔柱風振抑制效果的貢獻，還能夠根據這些數據進一步優化橫梁的結構設計，進而提高結構的抗風性能，確保在面對復雜多變的風環境時，結構物能夠保持穩定和安全。通過深入研究橫梁的布置方式，為未來的結構設計提供更加精確和科學的指導，以確保橫梁能夠在實際應用中發揮最大的風振抑制效果，延長建筑物的使用壽命，減少因風振引起的維護成本。

2數值分析橫梁對塔柱的風振抑制效應

風荷載作用下結構的動力響應是斜拉橋風振分析方法中的重要研究內容。本節采用了有限元軟件構建了精確的斜拉橋塔柱有限元模型，以研究在風荷載作用下超高塔柱的動力響應，對風荷載影響下的超高塔有限元模型進行了精確的變形值分析。通過有限元計算，細致研究了塔柱在中橫梁和上橫梁施工期間，在風荷載作用下其頂部位置偏移量變化情況，為工程施工提供數據支持。塔柱中橫梁和上橫梁施工主要分為四個階段，具體各階段施工過程塔柱頂部位置偏移量情況數值分析結果如下。

2.1第一階段僅下橫梁

圖6展示了在僅安裝下橫梁、未安裝中橫梁情況下的塔柱有限元模型。該模型采用C50混凝土作為塔柱的材料。該階段模型由67個節點和66個梁單元構成。為了模擬塔柱在實際環境中的支撐條件，模型的底部被施加了固定約束。在有限元軟件中輸入上文計算所得風壓時程曲線，并在除底部節點外所有節點上施加了縱向風荷載。通過有限元計算，得到該階段塔柱頂部在風荷載影響下的位移偏移量隨時間變化的曲線，如圖7所示。結果顯示，這一階段，塔柱頂部的最大位移偏移量為7.919 cm。

圖6第一階段模型圖

圖5風壓時程曲線圖

圖7第一階段偏移量時程曲線圖

2.2第二階段中橫梁安裝完畢

為了深入探究塔柱在不同施工階段對風荷載的響應，進一步分析了在安裝中橫梁后，塔柱塔頂的變形情況。圖8在圖6有限元模型的基礎上增設了中橫梁，展示了在下橫梁和中橫梁均安裝到位情況下的塔柱有限元模型。該階段模型由70個節點和70個梁單元構成，新增中橫梁同樣選用C50混凝土材料。模型的底部施加了固定約束，并在除底部節點外，其余節點上施加縱向風荷載。有限元計算該階段塔柱頂部位移偏移量時程曲線見圖9。分析結果顯示，在風荷載的作用下，其最大位移偏移量降低至6.729cm，與未安裝中橫梁相比降幅15% 。證實了中橫梁的安裝對于增強塔柱結構的橫向剛度具有重要作用，顯著提高了橋梁的橫向穩定性，并有效增強了其抵御風荷載的能力。

圖10第三階段模型圖

圖11第三階段偏移量時程曲線圖

圖8第二階段模型圖

圖9第二階段偏移量時程曲線圖

2.4第四階段全部橫梁安裝完畢

全部橫梁安裝完畢后，塔柱模型見圖12。圖12在圖10模型的基礎上增設了上橫梁，新增部分同樣采用C50 混凝土作為材料，并在增加節點上施加縱向風荷載。通過有限元計算，該階段塔柱塔頂位移偏移量時程曲線見圖13。在風荷載的影響下，塔頂的最大位移偏移量為7.343cm ，相較于未增設上橫梁時減少了 3.5% 。說明橫梁對于增強橋梁橫向穩定性和提升塔柱抵御風荷載能力起到重要作用。值得注意的是，上橫梁安裝后位移偏移量降低了近 3.5% ，而中橫梁增設時的降幅達到了 15% A是上橫梁降幅的4倍以上。這一現象表明，隨著塔柱高度的增加，橫梁抑制風振的效果呈現逐漸減弱的趨勢。

2.3第三階段上橫梁未安裝時

圖10展示了在下橫梁和中橫梁均安裝到位的情況下，塔柱繼續施工至設計高度，但上橫梁尚未安裝時的有限元模型。該階段模型在圖8的基礎上增加了塔柱的高度至設計高度，新增部分同樣采用 C50 混凝土作為材料，并在新增節點上施加了縱向風荷載。經有限元分析計算，該階段塔柱頂部位移偏移量隨時間變化的詳細曲線見圖11。圖11顯示，塔柱頂部的最大偏移量為7.611cm ，大于第二階段最大位移偏移量，這表明了隨塔柱整體高度的增加，位移量相應增大，結構在高度增加時對風荷載的響應也隨之增大。

圖12第四階段模型圖

圖13第四階段偏移量時程曲線圖

3結語

本文依托實際塔柱施工工程項目，采用數值分析方法，深入研究了塔柱頂部在中橫梁和上橫梁施工階段風荷載作用下的變形情況，分析了橫梁對塔柱的風振抑制效應，為工程施工提供了重要的數據支持和科學依據。具體結論如下：

（1）橫梁的設置可以改變結構的剛度和質量分布，從而影響風荷載的作用效果。數值分析結果顯示，中橫梁的安裝使得塔柱頂端最大位移偏移量降低了 15% ，而上橫梁的安裝使得塔柱頂端最大位移偏移量下降 3.5% 。證實了橫梁在增強橋梁橫向穩定性和提升塔柱抵御風荷載能力方面發揮著重要作用。

（2）隨塔柱整體高度的增加，位移量相應增大，這表明了結構在高度增加時對風荷載響應也隨之增大。此外，中橫梁增設后位移量的降幅是上橫梁增設后降幅的4倍以上，這一現象表明，隨著塔柱高度的增加，橫梁抑制風振的效果呈現逐漸減弱的趨勢。

上述結論對于實際工程中塔柱的設計和施工具有深遠的意義。因此，建議在后續的塔柱施工中增設橫梁，以優化抗風設計，減少結構對風荷載的響應，并提高結構的整體抗風性能。此外，鑒于塔柱高度的增加會導致橫梁抑制風振效果的減弱，推薦在超高塔柱的頂部設計多道橫梁，以此增強塔柱的抗風性能，確保結構安全和穩定性。 $＼textcircled { ＼div }$

參考文獻

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