神農(nóng)溪特大橋抗風設計與施工

任 蒙 易 蓓

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

神農(nóng)溪特大橋抗風設計與施工

任 蒙 易 蓓

(中交第二公路勘察設計研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

介紹了神農(nóng)溪特大橋的工程概況，通過結構動力特性、顫振穩(wěn)定性及風荷載響應分析，對該大橋進行了抗風設計，并采用風洞試驗，驗證了橋梁的風振穩(wěn)定性，保證了施工的順利進行。

斜拉橋，懸臂，抗風設計，風荷載，穩(wěn)定性

1 工程概況

神農(nóng)溪特大橋為湖北省宜昌至巴東高速公路跨越神農(nóng)溪“U”形峽谷而設置的一座特大橋，是一個跨越深切峽谷復雜地形的特殊工程。橋跨布置[(4×30)+(80+150+80)+(140+320+140)+(2×30)]m，設計速度為80 km/h，雙向四車道，標準斷面寬24.5 m。橋址位于巴東山區(qū)，基本烈度為6度，設計基本地震加速度值為0.05g，設計地震分組為第一組。

神農(nóng)溪為長江北岸的一級支流，為著名風景區(qū)，為保持風景區(qū)原貌，主橋采用雙塔雙索面預應力混凝土斜拉橋一跨過溪，橋址所在地區(qū)為單斜地質(zhì)構造區(qū)，覆蓋層較薄，橋址基巖由白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、鹽溶角礫狀灰?guī)r組成，地質(zhì)情況較好(見圖1)。

主梁采用C55混凝土，P—K斷面預應力混凝土結構，頂面寬27.1 m，梁高3 m，節(jié)段長度有8 m,5 m兩種。橫梁為預應力混凝土結構，厚0.3 m；間距與加勁梁節(jié)段長度、斜拉索索距相對應。

“寶石”型空間索塔橋面以上塔高約80 m，橋塔總高約191.8(195.8)m；塔墩基礎由18根3.0 m的嵌巖端承樁組成。每個主塔布置19對斜拉索，斜拉索由1 670 MPa鍍鋅平行鋼絲，PE護套組成；采用機械阻尼器和PE護套表面壓制凹坑的氣動減振措施來抑制風雨激振。神農(nóng)溪特大橋加勁梁標準橫斷面見圖2。

神農(nóng)溪斜拉橋采用全漂浮體系，主梁過渡墩處采用縱向滑動，橫向約束的球鋼支座；塔梁交界處豎向支承采用0號斜拉索，橫向約束采用板式橡膠支座及橫向限位塊，縱向采用限位塊約束大位移?？v向全漂浮體系，屬于長周期結構，結構抗震有利；縱向限位塊約束了罕遇地震下的梁體位移，能夠確保罕遇地震(E2地震)作用下，橋梁僅限位塊發(fā)生輕微損傷，梁體本身不經(jīng)修復或經(jīng)簡單修復即可正常使用。神農(nóng)溪特大橋跨越“U”形峽谷，風剖面和湍流特征不同于平原地區(qū)；目前針對山區(qū)峽谷風的研究偏少，因此本橋的抗風設計非常重要。主橋采用P—K斷面預應力混凝土箱梁，寶石型橋塔，空間索面，結構抗扭剛度較高，抗風性能有利。大橋采用雙懸臂澆筑施工，施工中最大懸臂狀態(tài)為159 m(中跨側)。斜拉橋施工中的最大懸臂階段，是斜拉橋受力最不利階段之一；考慮施工過程中斜拉橋最大懸臂階段的主梁風振穩(wěn)定性；在邊跨距橋塔中心線94 m處設置了施工用的臨時墩，提高了施工中的穩(wěn)定性(見圖3)。

實際施工中，為加快施工進度，減少施工投入，考慮取消臨時墩。為保證施工過程中橋梁風振穩(wěn)定性，大橋通過風洞實驗進行了抗風專項研究，確保大橋順利施工。

2 抗風設計與風洞試驗

2.1 設計風速

如果將山區(qū)海拔絕對高度轉化為高度坐標，根據(jù)風剖面公式，得出的風速遠大于沿海地區(qū)臺風風速，明顯是不合適的。山區(qū)氣象站調(diào)研資料顯示：風速隨海拔高度線性增大；海拔高度每增加1 000 m，基本風速增加1.0 m/s，不能按照風剖面高度換算的方法推算風速[2]。神農(nóng)溪特大橋附近供參照的四個氣象站100年重 現(xiàn)期10 m高度的年平均最大風速平均為24.8 m/s[2]；大橋橋位附近山體的平均海拔約450 m，與四個氣象站平均海拔高度408 m一致，則橋址處基本風速為24.8 m/s。神農(nóng)溪特大橋處于周圍群峰形成的冠層內(nèi)，偏保守不考慮地形修正因子，則大橋橋面處的設計基準風速為24.8 m/s；施工階段10年重現(xiàn)期的設計基準風速為20.8 m/s。參考類似峽谷風場地實測氣象資料，陣風風速系數(shù)GV取1.9。

2.2 結構動力特性分析

結構動力特性分析結果顯示：最大雙懸臂狀態(tài)是否設置臨時墩對主梁扭彎頻率影響不大，對主梁扭轉頻率影響4%～7%，對主梁豎向彎曲頻率影響19%～25%；對主梁翹翹板運動狀的剛體轉動影響最大，達70%。

2.3 顫振穩(wěn)定性分析

根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》，100年重現(xiàn)期成橋狀態(tài)顫振檢驗風速為40.7 m/s,施工階段顫振檢驗風速為34.1 m/s。

采用主梁節(jié)段模型風洞試驗測定主梁顫振臨界風速。直接法顫振試驗結果表明：成橋狀態(tài)，相當于實橋風速156 m/s以上未觀察到顫振；最大雙懸臂狀態(tài)(未設置臨時墩)，相當于實橋風速188 m/s以上未觀察到顫振發(fā)散現(xiàn)象?；诠?jié)段模型所測得的加勁梁斷面氣動參數(shù)，應用耦合顫振的多模態(tài)顫振分析方法，分析得出：成橋狀態(tài)、最大雙懸臂狀態(tài)、最大單懸臂狀態(tài)，顫振臨界風速均不低于150 m/s。風洞試驗和試驗分析均證明：大橋無論在成橋狀態(tài)，還是施工階段最大懸臂狀態(tài)下不設置臨時墩的顫振臨界風速均遠高于顫振檢驗風速，滿足顫振穩(wěn)定性要求。

2.4 風荷載響應分析

用于橋梁結構設計的總風荷載響應應為由平均風引起的靜風荷載響應和由脈動風引起的抖振響應峰值的不利組合。對于施工階段雙懸臂狀態(tài)，按照《公路橋梁抗風設計規(guī)范》[2]，需要考慮對稱和不對稱兩種靜風荷載情況，取兩種加載結果的較大值。

加勁梁斷面三分力系數(shù)是風荷載響應的關鍵參數(shù)，主梁節(jié)段模型風洞測力試驗測得的三分力系數(shù)為：最大雙懸臂不設置臨時墩狀態(tài)下，0°風攻角作用下，橫向風動力系數(shù)為0.752 3，豎向氣動力系數(shù)為-0.231 68，氣動俯仰彎矩系數(shù)為0.045 22。

風洞試驗測振模型與測力模型見圖4。

計算表明：施工最大雙懸臂狀態(tài)不設置臨時墩時總風荷載位移極大值：中跨主梁端部豎向位移為0.678 m，側向為0.064 m；邊跨合龍后，施工最大單懸臂狀態(tài)總風荷載位移極大值：中跨主梁端部豎向位移為0.124 m，側向為0.031 m；位移均處于容許范圍內(nèi)，同時內(nèi)力驗算表明截面承載力滿足要求。

2.5 小結

綜上所述，施工中取消臨時墩的情況下，施工過程中斜拉橋不會發(fā)生顫振失穩(wěn)、結構承載力和位移處于容許范圍內(nèi)；同時結構靜力穩(wěn)定系數(shù)大于4.0。為加快施工進度，施工中取消了臨時墩，施工順利完成。

3 結語

通過風洞試驗與抗風研究，確保了神農(nóng)溪特大橋在懸臂澆筑施工中不設置臨時墩的情況下，顫振穩(wěn)定性滿足要求；抖振力作用下結構位移、受力均在允許范圍內(nèi)。最終神農(nóng)溪特大橋在施工過程中取消了臨時墩，加快了施工進度，減少了施工投入，可供類似山區(qū)斜拉橋借鑒。

[1] 中交第二公路勘察設計研究院有限公司.宜巴高速神農(nóng)溪特大橋施工圖設計文件[Z].

[2] 湖北省宜巴高速公路神農(nóng)溪特大橋抗風試驗研究[Z].同濟大學,2010.

[3] JTG/T D60—01—2004,公路橋梁抗風設計規(guī)范[S].

[4] 嚴國敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學出版社,1996.

Abstract: The thesis introduces extra-large Shennongxi bridge engineering conditions. Through structural dynamic properties, flutter stability and wind load response analysis, it carries out wind-resistant design for the bridge, applies wind tunnel test, testifies the wind vibration stability of the bridge, and finally guarantees the construction smooth.

Key words: cable-stayed bridge, cantilever, wind-resistant design, wind load, stability

Wind-resistant design and construction of extra-large Shennongxi bridge

Ren Meng Yi Bei

(ChinaCommunication2ndHighwaySurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

2016-03-18

任 蒙(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2016)15-0162-03

U442

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