T形鋼構(gòu)橋抗風(fēng)能力的研究

馮建亞

[摘 要]T形鋼構(gòu)橋是鋼構(gòu)橋的一種，是指從墩上伸出懸臂，跨中用剪力鉸或簡(jiǎn)支掛梁組合而成，因墩上在兩側(cè)伸出懸臂，形同T字，故稱T形鋼構(gòu)橋。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)在建筑行業(yè)中的材料、技術(shù)等方而的投入均不斷加大，口前預(yù)應(yīng)力加固T型剛構(gòu)橋技術(shù)在世界各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害中發(fā)生最頻繁的一種，橋梁結(jié)構(gòu)因風(fēng)的作用而遭到破壞的事故屢見(jiàn)不鮮，因此對(duì)T形鋼構(gòu)橋抗風(fēng)能力的研究十分重要。

[關(guān)鍵詞]T形鋼構(gòu)橋 抗風(fēng)能力 研究方向

中圖分類號(hào)：TE177 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）04-0295-01

前言：隨著橋梁建設(shè)技術(shù)的蓬勃發(fā)展，各種獨(dú)具特色的施工工藝陸續(xù)被發(fā)明。轉(zhuǎn)體施工就是這樣一種工藝，它解決了施工阻礙原有線路交通這一難題。但是，隨著技術(shù)的成熟，轉(zhuǎn)體的跨度越來(lái)越大，結(jié)構(gòu)越來(lái)越輕柔化，結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)的作用也就越來(lái)越敏感。采用平轉(zhuǎn)施工的T形剛構(gòu)橋梁在轉(zhuǎn)體之前，拆除施工支架，處于大懸臂狀態(tài)，結(jié)構(gòu)剛度較小，在風(fēng)的作用下穩(wěn)定性較差。本文將對(duì)T形鋼構(gòu)橋進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，并著重介紹其抗風(fēng)能力方面的研究。

1 T形鋼構(gòu)橋的介紹

1.1 什么是T形鋼構(gòu)橋

剛構(gòu)橋是指橋跨結(jié)構(gòu)與橋墩式橋臺(tái)連為一體的橋，是主要承重結(jié)構(gòu)采用剛構(gòu)的橋梁。梁和腿或墩（臺(tái)）身構(gòu)成剛性連接。按結(jié)構(gòu)形式可分為門(mén)式剛構(gòu)橋、斜腿剛構(gòu)橋、T形剛構(gòu)橋和連續(xù)剛構(gòu)橋。世界最高的連續(xù)剛構(gòu)橋是位于云南省元墨高速公路上的“紅河大橋”。T形鋼構(gòu)橋（T-shaped rigid frame bridge）是一種具有懸臂受力特點(diǎn)的梁式橋。是指從墩上伸出懸臂，跨中用剪力鉸或簡(jiǎn)支掛梁組合而成，因墩上在兩側(cè)伸出懸臂，形同T字，因此被稱T形鋼構(gòu)橋。在預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)中采用懸臂施工方法可做成比鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中長(zhǎng)得多的懸臂結(jié)構(gòu)。T形剛構(gòu)橋最基本的形式有兩類：帶中間鉸的T形剛構(gòu)橋以及帶中間掛梁的T形剛構(gòu)橋。第一種形式存在著鉸構(gòu)造復(fù)雜的缺點(diǎn)，在徐變和日照溫差影響下，鉸內(nèi)產(chǎn)生經(jīng)常的剪力和整個(gè)結(jié)構(gòu)的次內(nèi)力，尤其是預(yù)拱度設(shè)置不當(dāng)時(shí)，將使橋面縱坡呈折線形，對(duì)外觀及行車帶來(lái)不利，故在我國(guó)設(shè)計(jì)中極少采用。第二種形式在我國(guó)雖然修建的較多，但也存在T形剛構(gòu)懸臂端的徐變撓度較大的缺點(diǎn)，并且在掛梁兩端的伸縮縫裝臵易于損壞，從而將帶來(lái)外觀和行車不舒適的問(wèn)題，故近年來(lái)這種橋形在我國(guó)也逐漸較少修建。我國(guó)目前對(duì)于T形鋼構(gòu)橋的研究與應(yīng)用還待進(jìn)一步發(fā)展。

1.2 T形鋼構(gòu)橋的優(yōu)點(diǎn)

T形鋼構(gòu)橋最適宜兩向平衡對(duì)稱懸臂施工，可不用支架而建設(shè)大跨徑橋，國(guó)外常統(tǒng)稱為“懸臂的橋（cantilevered Bridge）”。T形鋼構(gòu)橋主要應(yīng)用的材料為鋼結(jié)構(gòu)，和其它材料的結(jié)構(gòu)相比，鋼結(jié)構(gòu)具重量輕、塑性和韌性好、更接近于勻質(zhì)和各向同性體、制造簡(jiǎn)便，易于采用工業(yè)化生產(chǎn)、密封性好、耐熱性好以及施工安裝周期短的優(yōu)點(diǎn)。鋼結(jié)構(gòu)的容重雖然較大，但與其它建筑材料相比，它的強(qiáng)度卻高很多，因而當(dāng)承受的荷載和條件相同時(shí)，鋼結(jié)構(gòu)要比其它結(jié)構(gòu)輕，便于運(yùn)輸和安裝，并可跨越更大的跨度。而且，鋼結(jié)構(gòu)一般不會(huì)因?yàn)榕既怀d或局部超載而突然斷裂破壞，且鋼材的內(nèi)部組織比較均勻，在一定的應(yīng)力幅度內(nèi)幾乎是完全彈性的，這些性能和力學(xué)計(jì)算中的假定比較符合，所以鋼結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果較符合實(shí)際的受力情況。這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)橋梁建筑來(lái)說(shuō)都是十分重要的。

1.3 T形鋼構(gòu)橋缺陷

懸臂部分的缺陷主要有因?yàn)闃蛄旱膭偠扔兴陆?、而縱向預(yù)應(yīng)力的損失也較多，同時(shí)、施工材料的質(zhì)量及材質(zhì)等影響造成的懸臂端壓力過(guò)大；主要由于施工質(zhì)量不高，而且縱

向的預(yù)應(yīng)力損失較大，造成強(qiáng)度不夠，而導(dǎo)致的懸臂根部開(kāi)裂；豎向預(yù)應(yīng)力的損失比較大，而腹板抗剪的強(qiáng)度很弱，而造成的懸臂中部產(chǎn)生裂縫；橫梁上的橫向預(yù)應(yīng)力損失比較大，而且有超重的情況，所導(dǎo)致的懸臂端上的豎向裂縫；以及T型鋼構(gòu)橋水平裂縫的情況，造成該裂縫的原因與板跨中底而出現(xiàn)縱向裂縫的情況類似，這種情況是比較少見(jiàn)的?？偠灾?，大部分T型剛構(gòu)橋在剛剛完工的時(shí)候，一般是不會(huì)出現(xiàn)什么大的問(wèn)題的，但是經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后就會(huì)慢慢的出現(xiàn)各種病害。除上述幾種情況外還可能出現(xiàn)主梁懸臂端下?lián)?、主梁裂縫、橋而鋪裝破損、混凝土變質(zhì)等問(wèn)題。

2 T形鋼構(gòu)橋抗風(fēng)能力的研究

2.1 T形鋼構(gòu)橋抗風(fēng)能力研究的必要性

橋梁結(jié)構(gòu)因風(fēng)的作用而遭到破壞的事故屢見(jiàn)不鮮。風(fēng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能已經(jīng)成為影響其設(shè)計(jì)和施工的控制因素，風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用是一個(gè)十分復(fù)雜的現(xiàn)象，它受機(jī)制 ，如顫振、弛振和渦激振動(dòng)。若顫振和弛振達(dá)到臨界狀態(tài)，則對(duì)橋梁的結(jié)構(gòu)將會(huì)造成相當(dāng)嚴(yán)重的影響。風(fēng)的自然特性、結(jié)構(gòu)的外型、結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性以及風(fēng)與結(jié)構(gòu)的時(shí)，將出現(xiàn)危險(xiǎn)性的發(fā)散狀態(tài)。相互作用等多方面因素的制約。還有一類振動(dòng)是強(qiáng)迫振動(dòng)：結(jié)構(gòu)在紊流脈動(dòng)風(fēng)作用下的一種有限用截面的橋梁結(jié)構(gòu)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生旋渦和流動(dòng)的分離，形成復(fù)雜的 振幅的隨機(jī)強(qiáng)迫振動(dòng) ，由于脈動(dòng)風(fēng)的隨機(jī)性質(zhì)，這種由陣風(fēng)帶空氣作用力。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度較大時(shí)，結(jié)構(gòu)保持靜止不動(dòng)，的脈動(dòng)風(fēng)譜引起的隨機(jī)振動(dòng)響應(yīng)陣風(fēng)響應(yīng)稱為抖振這種空氣力的作用只相當(dāng)于靜力作用。當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)的剛度較小時(shí)。渦激振動(dòng)雖然帶有自激性質(zhì)，但它和顫振或馳振的小時(shí)，結(jié)構(gòu)振動(dòng)受到激發(fā)，這時(shí)空氣力的作用不僅具有靜力作用，而且具有動(dòng)力作用。風(fēng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能已經(jīng)成為影響其設(shè)計(jì)和施工的控制因素，因而研究T形橋的抗風(fēng)能力是十分有必要的。

2.2 T形鋼構(gòu)橋目前抗風(fēng)能力研究的成果

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)橋梁跨徑的要求越來(lái)越高，大跨橋梁的靜風(fēng)穩(wěn)定性的問(wèn)題開(kāi)始進(jìn)入人們的視野。在過(guò)去相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，人們把風(fēng)對(duì)結(jié)構(gòu)的作用僅僅看成是一種由定常風(fēng)所引起的靜力作用，1940年秋，美國(guó)華盛頓州建成才4個(gè)月的塔科馬（Tacoma）懸索橋在不到20 m/s的8級(jí)大風(fēng)作用下發(fā)生強(qiáng)烈的風(fēng)致振動(dòng)—反對(duì)稱扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，而導(dǎo)致橋面折斷和橋梁坍塌，這才開(kāi)始了以風(fēng)致振動(dòng)為重點(diǎn)的橋梁抗風(fēng)研究。定常風(fēng)的靜力作用下，人們主要關(guān)心橋梁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和穩(wěn)定性問(wèn)題；在不定常風(fēng)的動(dòng)力作用下問(wèn)題則要復(fù)雜得多。因風(fēng)致振動(dòng)起來(lái)的橋梁反過(guò)來(lái)又可能改變氣流流場(chǎng)和氣動(dòng)力，必須考慮風(fēng)與結(jié)構(gòu)的相互作用?？癸L(fēng)理論起源于航空空氣動(dòng)力學(xué)，由一戰(zhàn)之后迅猛發(fā)展起來(lái)。1925年Wagner提出特征升力函數(shù)，首次提出了隨時(shí)間變化的非定常氣動(dòng)力的概念。不久之后，在1935年Theodorson在Wagner的研究的基礎(chǔ)之上，首次發(fā)表了著名的薄翼在不可壓縮流中的非定常氣動(dòng)力表達(dá)式。橋梁風(fēng)工程的研究方法主要有理論分析、風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)和數(shù)值模擬三種。

2.3 T形鋼構(gòu)橋未來(lái)的發(fā)展

經(jīng)過(guò)20世紀(jì)80年代“學(xué)習(xí)和追趕”和20世紀(jì)90年代“提高和跟蹤”兩個(gè)發(fā)展時(shí)期，中國(guó)橋梁界在21世紀(jì)進(jìn)入一個(gè)“創(chuàng)新和超越”的新時(shí)期，即通過(guò)自主的技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)超越式發(fā)展，以提高我們的競(jìng)爭(zhēng)力，爭(zhēng)取在橋梁技術(shù)領(lǐng)域有所突破，其中也包括橋梁抗風(fēng)理論方面，特別是在風(fēng)振機(jī)理研究、風(fēng)振理論的精細(xì)化、概率性評(píng)價(jià)方法、CFD技術(shù)和數(shù)值風(fēng)動(dòng)、橋梁等效風(fēng)載荷等薄弱環(huán)節(jié)。

3 結(jié)語(yǔ)

T形鋼構(gòu)橋憑借其獨(dú)一無(wú)二的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)越來(lái)越吸引人們的注意。而橋梁的結(jié)構(gòu)安全性更是關(guān)系到人身安全、經(jīng)濟(jì)效益等多方面，必須要加以重視。大跨度橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，其影響因素更是具有多樣性和復(fù)雜性。想要安全的建造T形鋼構(gòu)橋，就要對(duì)T形鋼構(gòu)橋的抗風(fēng)能力進(jìn)行深入的了解和研究，盡量避免因風(fēng)力的原因而對(duì)橋梁自身結(jié)構(gòu)造成不必要的損壞。目前我國(guó)對(duì)于橋梁抗風(fēng)性能的研究，雖然有了一定的發(fā)展，但仍然不全面，必須在薄弱環(huán)節(jié)加以重視。

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