高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工階段抗風安全性研究★

段瑞芳 柳穎臣 郝憲武

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學院，陜西 西安 710018;2.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000;3.長安大學橋梁所，陜西 西安 710064)

在西部地區(qū)，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋以其獨特的優(yōu)越性，深得設(shè)計者們的喜愛。隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，連續(xù)剛構(gòu)的橋墩會逐漸增高，跨度逐漸增大。而這些橋梁多分布在山區(qū)溝谷地形、地貌特別復雜的地區(qū)。在這些地方的風環(huán)境因受到地形的影響，其風速、風向以及空間分布變得較為復雜。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工方式多采用懸臂澆筑的方式進行，在橋墩較高的情況下，懸臂施工過程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，對外界風荷載的作用反應較為敏感。結(jié)構(gòu)在外界復雜的風荷載的作用下易發(fā)生較大振動響應，結(jié)構(gòu)過大的振動會威脅到結(jié)構(gòu)自身的安全以及在結(jié)構(gòu)上工作人員的安全。對于高墩大跨預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)，針對其施工過程中展開抗風性能的研究，不僅具有較好的社會、經(jīng)濟效益，同時對于提高我國高墩大跨度橋梁的發(fā)展有著十分重要的意義。

1 風對剛構(gòu)懸臂的影響

對高墩大跨橋梁進行抗風設(shè)計，主要是為保障結(jié)構(gòu)在施工階段以及成橋運營中可能承受的外界風荷載的作用下結(jié)構(gòu)的安全。

本文實例工程跨徑為:(75+2×140+75)m。在《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》指出:根據(jù)多年的實踐經(jīng)驗表明，對于跨徑小于150 m的公路橋梁，結(jié)構(gòu)的剛度一般較大，風荷載引起的振動比較小，與靜風荷載相比，動力風荷載是次要的，采用短時距的陣風風速進行靜力抗風設(shè)計，已能夠滿足橋梁在風作用下的抗風設(shè)計要求，因而可不進行復雜的風致振動的分析和動力抗風分析。

1.1 結(jié)構(gòu)自振特性分析

結(jié)構(gòu)自振特性分析結(jié)果顯示:隨著主梁懸臂施工的進行，懸臂長度逐漸增大，這個過程中結(jié)構(gòu)基頻呈現(xiàn)了逐漸減小的趨勢，自結(jié)構(gòu)上部箱梁的第二號塊段施工到結(jié)構(gòu)的最大懸臂階段，結(jié)構(gòu)的基頻減小幅度達44.88%。同時，最大雙懸臂狀態(tài)的自振頻率為0.162 3。而結(jié)構(gòu)在其成橋運營階段的自振頻率為0.351。后者由于“T”構(gòu)連接形成一個整體，共同承擔外部的作用，此階段結(jié)構(gòu)剛度比較大，其穩(wěn)定性較好。而結(jié)構(gòu)的最大雙懸臂階段，上部結(jié)構(gòu)的長懸臂僅通過高墩與基礎(chǔ)相連，懸臂兩端沒有任何約束。說明最大高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在其最大懸臂階段穩(wěn)定性最差。

1.2 結(jié)構(gòu)在最不利狀態(tài)的靜陣風作用內(nèi)力分析

由上節(jié)的結(jié)構(gòu)動力特性分析得知，在最大懸臂狀態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最差。本節(jié)針對依托工程，研究結(jié)構(gòu)在靜陣風荷載作用下，分析結(jié)構(gòu)的主梁懸臂根部以及主墩墩底兩個最不利截面的內(nèi)力分布情況。1)主梁靜陣風荷載計算分析。對于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性最差。一般在橋梁的初步設(shè)計階段，進行于靜陣風荷載設(shè)計:主要驗算結(jié)構(gòu)在最大風荷載作用下，可能產(chǎn)生的最大風載內(nèi)力。在抗風設(shè)計規(guī)范［3］中指出:在橫橋向風作用下主梁單位長度上的橫向靜風荷載可按下式計算:橫向風荷載:結(jié)構(gòu)風荷載的加載方法。為了能夠真實的反映出對高墩大跨預應力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的最大懸臂T構(gòu)階段進行抗風設(shè)計分析，必須考慮風載可能發(fā)生的各種不利荷載的作用，依次對橋梁進行加載，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。在進行懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋，必須計算下列風荷載內(nèi)力［6］:a.主梁懸臂根部最大的橫橋向彎矩和剪力;b.橋墩墩底截面的最大橫向彎矩;c.橋墩墩底截面的最大扭矩。為了能夠比較真實地反映風荷載作用下的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在其最大雙懸臂狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，考慮多種最不利的情況進行加載。加載按表1中三種情況進行，各工況加載示意圖見圖1。

1.3 結(jié)構(gòu)靜風荷載作用結(jié)果分析

利用有限元分析軟件Midas/civil 2010，對連續(xù)剛構(gòu)橋在其最大懸臂施工階段進行靜陣風荷載作用模擬分析。

表1 加載方式

圖1 加載示意圖

1)結(jié)構(gòu)撓度分析。在懸臂兩端對稱的陣風荷載工況一作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大橫向撓度為41.32 mm，豎向最大撓度為－27.80 mm，結(jié)構(gòu)在橫橋向發(fā)生0.038°的轉(zhuǎn)角。工況二:結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大橫向撓度為46.47 mm，豎向最大撓度為－27.80 mm(且左右懸臂兩端撓度不同)，結(jié)構(gòu)在橫橋向發(fā)生0.041°的轉(zhuǎn)角。工況三:考慮到極端天氣的可能性，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大橫向撓度為50.72 mm，豎向最大撓度為 －27.80 mm，結(jié)構(gòu)繞橋墩向發(fā)生0.004°的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)在各工況下的撓度見表2。

表2 靜風荷載作用下懸臂端位移 mm

表3 結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下各工況作用下橋墩截面內(nèi)力

表4 結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下各工況作用下懸臂根部截面內(nèi)力

2)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。由表3，表4分析可知:結(jié)構(gòu)的墩底截面在對稱的陣風荷載作用下產(chǎn)生較大的z向彎矩，結(jié)構(gòu)的扭矩較小。在非對稱的陣風荷載作用下，在結(jié)構(gòu)的主墩墩底截面產(chǎn)生較大的扭矩，對懸臂根部截面的扭矩影響不大。在考慮極端天氣的風場分布情況下，橋墩底部出現(xiàn)較大的扭矩。

對以上內(nèi)力結(jié)果分析可知:在以上的幾種荷載工況作用下，結(jié)構(gòu)的墩底處對各工況的作用比較敏感，而對主梁的影響較小。

3)結(jié)構(gòu)應力分析。在以上三種不同的荷載工況作用下，懸臂根部的應力均為壓應力，沒有出現(xiàn)拉應力。通過比較:在以上三種工況作用下，懸臂根部截面的應力變化較小。滿足混凝土的施工要求，結(jié)構(gòu)施工安全。

根據(jù)上述三個荷載工況作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析:結(jié)構(gòu)的剛度較大，靜陣風荷載對結(jié)構(gòu)的影響較小，結(jié)構(gòu)的位移以及截面的應力變化較小，結(jié)構(gòu)的抗風性能良好。

2 結(jié)語

本文以跨徑為(75+2×140+75)m高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋為背景。首先，推算出依托工程的橋址處抗風設(shè)計風速;其次，在結(jié)構(gòu)的最大雙懸臂階段，對靜陣風荷載作用下的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進行詳細的分析;最后，并采用簡化的動力荷載模擬分析結(jié)構(gòu)在動力荷載作用下對結(jié)構(gòu)上工作人員的舒適性做了討論。得出以下主要結(jié)論:在T型剛構(gòu)施工過程中，隨著懸臂的伸長，結(jié)構(gòu)的自振頻率逐漸降低，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，柔性變大。故在施工到結(jié)構(gòu)的最大雙懸臂時，是受力最不利的階段，應加以重視。

對于T型剛構(gòu)的最大雙懸臂狀態(tài)，通過考慮不同的三種加載工況，對結(jié)構(gòu)進行靜陣風分析，通過對結(jié)構(gòu)的懸臂根部截面以及橋墩墩底截面的內(nèi)力、位移和應力結(jié)果對比分析，在靜陣風荷載作用下，結(jié)構(gòu)的橫向位移相對較大，而對豎向的位移影響很小。不同的加載方式對結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響比較大，故結(jié)構(gòu)設(shè)計過程的內(nèi)力計算需考慮風荷載的影響。

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