矮塔斜拉橋混凝土箱梁施工階段風(fēng)荷載影響分析

李春元

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧　大連　116083）

矮塔斜拉橋混凝土箱梁施工階段風(fēng)荷載影響分析

李春元

（中交一航局第三工程有限公司，遼寧大連116083）

南澳大橋主橋的混凝土箱梁施工中，當(dāng)?shù)仫L(fēng)環(huán)境條件極其惡劣，在成橋最大懸臂狀態(tài)時(shí)，對(duì)風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析。在無(wú)類(lèi)似相關(guān)經(jīng)驗(yàn)和參數(shù)選取的條件下，通過(guò)施工前期觀測(cè)統(tǒng)計(jì)，合理選取風(fēng)荷載參數(shù)，采取安全可靠的方案措施，科學(xué)合理控制施工最大允許風(fēng)速，有效避免了豎向渦激共振對(duì)澆筑混凝土質(zhì)量的影響。

矮塔斜拉橋；混凝土箱梁；施工階段；風(fēng)荷載影響

0　引言

廣東省南澳大橋地處臺(tái)灣海峽“喇叭口”處，受冬季季風(fēng)和夏季臺(tái)風(fēng)影響大。橋位風(fēng)環(huán)境惡劣，施工過(guò)程中受不利氣象影響較大，目前國(guó)內(nèi)在類(lèi)似海洋風(fēng)環(huán)境下，大懸臂澆筑混凝土箱梁結(jié)構(gòu)的工程尚缺少研究案例。為確保施工過(guò)程中混凝土澆筑質(zhì)量，針對(duì)施工過(guò)程中混凝土澆筑風(fēng)環(huán)境的影響，分析結(jié)構(gòu)最大施工風(fēng)荷載響應(yīng)規(guī)律和風(fēng)載效應(yīng)，對(duì)主橋箱梁的混凝土懸臂澆筑施工進(jìn)行安全評(píng)價(jià)，保證施工安全和內(nèi)在質(zhì)量。

1　概述

1.1工程概況

南澳大橋位于廣東省汕頭市萊蕪島與南澳島之間，項(xiàng)目全線總長(zhǎng)11.080 km，其中橋梁全長(zhǎng)9 341 m，道路全長(zhǎng)1 739 m。

主橋?yàn)榘崩瓨?，采用雙柱式門(mén)型塔結(jié)構(gòu)，塔高69.415 m，主橋全長(zhǎng)490 m，橋型布置為（126+238+126）m預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁。主橋立面圖和平面圖詳見(jiàn)圖1[1]。

1.2風(fēng)速資料

海工環(huán)境下懸澆施工混凝土結(jié)構(gòu)工程案例較少，該橋橋位風(fēng)環(huán)境惡劣，結(jié)構(gòu)施工過(guò)程受不利氣象影響較大，根據(jù)施工期間南澳氣象站資料，統(tǒng)計(jì)出各月平均災(zāi)害性天氣日數(shù)如表1所示[2]。

圖1　主橋立面和平面布置圖Fig.1　Main bridge elevation and layout plan

表1　南澳大橋現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際統(tǒng)計(jì)各月平均災(zāi)害性天氣日數(shù)（2010—2013年）Table 1　Average severe weather days per month from Nan′ao meteorological station（2010-2013）d

1.3主要分析內(nèi)容

在總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究的基礎(chǔ)上，根據(jù)控制標(biāo)準(zhǔn)首先建立結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算模型，分析結(jié)構(gòu)的自身動(dòng)力特性，并采用擬靜力分析方法，分析結(jié)構(gòu)最大施工風(fēng)荷載響應(yīng)規(guī)律和風(fēng)載效應(yīng)，對(duì)結(jié)構(gòu)的混凝土懸臂澆筑施工進(jìn)行安全評(píng)價(jià)和影響質(zhì)量分析。

主要分析內(nèi)容有以下4項(xiàng)：

1）最大懸臂階段主梁渦激共振幅值。

2）掛籃在風(fēng)荷載下的動(dòng)撓度。

3）評(píng)價(jià)渦激共振對(duì)施工過(guò)程中混凝土澆筑的影響。

4）評(píng)價(jià)掛籃剛度在風(fēng)荷載響應(yīng)下對(duì)混凝土澆筑的影響。

2　風(fēng)速參數(shù)確定

考慮在最大允許施工風(fēng)荷載的作用下，風(fēng)荷載對(duì)混凝土懸澆質(zhì)量的影響，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)前期施工積累的經(jīng)驗(yàn)，計(jì)算中所采用的風(fēng)速按6級(jí)風(fēng)限值（即風(fēng)速為13.6 m/s）[2]。

3　結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析計(jì)算

3.1有限元模型

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，采用Midas2012橋梁專(zhuān)用有限元分析軟件[3]，對(duì)成橋最大懸臂施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行計(jì)算分析[4]。有限元模型見(jiàn)圖2，計(jì)算模型梁?jiǎn)卧? 554個(gè)，節(jié)點(diǎn)1 572個(gè)。邊界條件：主塔樁基采用土彈簧模擬樁土作用，采用主從連接模擬塔梁固結(jié)，斜拉索通過(guò)剛臂與主梁相連。

圖2　最大懸臂有限元模型Fig.2　Finite element model of maximum cantilever

3.2結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)果

根據(jù)有限元軟件對(duì)成橋最大懸臂施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果如表2所示，主梁豎彎發(fā)生在第4階振型中，主梁扭轉(zhuǎn)發(fā)生在第9階振型中如圖3、圖4所示。

表2　 前十階模態(tài)表Table 2　First ten modals

圖3　第4階模態(tài)圖Fig.3　Modal of 4th order

圖4　第9階模態(tài)圖Fig.4　Modal of 9th order

4　渦激共振計(jì)算與分析

在施工階段避免渦激振動(dòng)或者限制其振幅在可接受的范圍之內(nèi)，具有十分重要的意義，根據(jù)JTG/TD 60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中計(jì)算公式對(duì)渦激共振進(jìn)行計(jì)算[4]。

4.1豎向渦激共振

1）共振發(fā)生風(fēng)速

豎向彎曲發(fā)生在第4階振型中，由表2對(duì)應(yīng)頻率計(jì)算，豎向渦激共振發(fā)生風(fēng)速Vcvh=2.0fbB= 2.0×0.567 445×14.4=16.34 m/s。

2）共振振幅豎向渦激共振振幅hc=0.006 1 m，詳見(jiàn)表3。

表3　渦激共振計(jì)算表格Table 3　Vortex-induced resonance calculation

3）基于舒適性的豎向渦激共振振幅允許值

豎向渦激共振允許振幅 [ha]=0.071 m，詳見(jiàn)表3。

4.2扭轉(zhuǎn)渦激共振

1）共振發(fā)生風(fēng)速

扭轉(zhuǎn)模態(tài)發(fā)生在第9階振型中，由表2對(duì)應(yīng)頻率計(jì)算，扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)生風(fēng)速Vcvθ=1.33ftB= 1.33×1.946 634×14.4=37.3 m/s。

2）共振振幅扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅θc=0.095 rad，詳見(jiàn)表3。3）基于舒適性的扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅允許值

扭轉(zhuǎn)渦激共振允許振幅 [θa]=0.163 rad，詳見(jiàn)表3。

4.3評(píng)價(jià)渦激共振對(duì)澆筑混凝土質(zhì)量的影響

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果可知，豎向渦激共振發(fā)生風(fēng)速16.34 m/s，扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)生風(fēng)速為37.3 m/s，在小于13.6 m/s風(fēng)速施工時(shí)均不會(huì)發(fā)生豎向和扭轉(zhuǎn)渦激共振。

扭轉(zhuǎn)渦激共振發(fā)生風(fēng)速與施工最大允許風(fēng)速較接近，施工過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生豎向渦激共振現(xiàn)象，由上述計(jì)算結(jié)果可知，豎向渦激共振振幅為0.006 1 m，數(shù)值較小，對(duì)施工過(guò)程中混凝土的澆筑影響較小。

5　主梁靜陣風(fēng)作用

對(duì)于主梁結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載一般由三部分組成：一是平均風(fēng)的作用；二是脈動(dòng)風(fēng)的背景脈動(dòng)；三是脈動(dòng)風(fēng)誘發(fā)抖振而產(chǎn)生的慣性力作用。將平均風(fēng)作用和風(fēng)的背景脈動(dòng)兩部分合并，總的響應(yīng)和平均風(fēng)響應(yīng)之比稱(chēng)為等效靜陣風(fēng)系數(shù)Gv，它是與地面粗糙程度、離地面（或水面）高度以及水平加載長(zhǎng)度相關(guān)的系數(shù)。

5.1靜陣風(fēng)風(fēng)速確定

根據(jù)Kaimal水平風(fēng)譜，計(jì)算了不同基準(zhǔn)風(fēng)速、不同地表粗糙程度類(lèi)別和幾種相關(guān)系數(shù)以及不同橋面高度的靜陣風(fēng)系數(shù)。由于靜陣風(fēng)荷載是等效平均風(fēng)作用和風(fēng)的背景脈動(dòng)形成的，其時(shí)距系數(shù)應(yīng)取1～3 s。對(duì)一般大跨徑橋梁，橋梁高度一般在30～70 m之間，基本風(fēng)速一般在20～50 m/s之間，因而建議采用時(shí)距為1 s，基本風(fēng)速為40 m/s，水平相關(guān)系數(shù)偏安全地取7時(shí)的結(jié)果。計(jì)算出靜陣風(fēng)系數(shù)后，靜陣風(fēng)風(fēng)速可按下式計(jì)算：

由于是施工階段最大懸臂狀態(tài)驗(yàn)算，取地面或水面以上10 m高度處的風(fēng)速為13.6 m/s，由設(shè)計(jì)資料可查得，橋面位置基準(zhǔn)高度取Z2=40 m，橋面位置基準(zhǔn)高度的風(fēng)速計(jì)算為：

橋面位置基準(zhǔn)高度的風(fēng)速：

Gv按照地表A類(lèi)取值，取為1.24，計(jì)算靜陣風(fēng)風(fēng)速為：

1）橋面高度處風(fēng)速為13.6 m/s

Vg=GvVZ=1.24×13.6=16.86 m/s

2）橋面高度處風(fēng)速為16.1 m/s

Vg=GvVZ=1.24×16.1=19.96 m/s

5.2主梁靜陣風(fēng)荷載

作用在主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的靜力風(fēng)荷載為如圖5所示的坐標(biāo)系（即體軸）3個(gè)方向的平均風(fēng)荷載。

圖5　靜力風(fēng)荷載方向示意圖Fig.5　Static wind loading direction

由于主要研究?jī)?nèi)容為風(fēng)荷載豎向動(dòng)撓度對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量的影響，計(jì)算中僅考慮豎向風(fēng)載和扭轉(zhuǎn)力矩的影響。

橋梁斷面靜三分力系數(shù)是靜風(fēng)荷載和穩(wěn)定性分析中的重要參數(shù)。通常是制作一定縮尺比例的節(jié)段模型，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定靜力三分力系數(shù)[5-6]。然而，基于該工程條件，風(fēng)洞試驗(yàn)難以展開(kāi)，參照以往類(lèi)似橋梁斷面的風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果選取本橋主梁斷面的豎向力系數(shù)為CV=0.73，扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)為CM=0.06。

1）橋面高度處風(fēng)速為13.6 m/s

豎向風(fēng)載：PV=×1.25× 13.62×0.73×14.4=1 215.2 N/m

2）橋面高度處風(fēng)速為16.1 m/s豎向風(fēng)載：PV=1 703.0 N/m

扭轉(zhuǎn)力矩：M=2 015.6 N·m/m

5.3主梁靜陣風(fēng)荷載效應(yīng)

1）有限元模型

在前述3.1節(jié)中，最大懸臂結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型基礎(chǔ)之上，添加掛籃局部模型，橋墩兩側(cè)主梁考慮風(fēng)荷載不對(duì)稱(chēng)加載，不對(duì)稱(chēng)系數(shù)取0.5。掛籃局部模型詳見(jiàn)圖6所示[7]。

圖6　掛籃局部有限元模型Fig.6　Finite element model of section with suspended scaffolding

2）靜陣風(fēng)荷載效應(yīng)

橋面高度處風(fēng)速計(jì)算見(jiàn)表4。

表4　橋面高度處風(fēng)速計(jì)算表Table 4　Calculation of wind speed at bridge deck

5.4施工最大允許風(fēng)速對(duì)澆筑混凝土質(zhì)量的影響

由于作用在大跨度橋梁斷面上的豎向力（升力）和扭轉(zhuǎn)力矩一般由平均風(fēng)作用下的靜力和抖振慣性力組成，且平均風(fēng)下的靜力作用頻率較低，對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量的影響較小，抖振慣性力作用下頻率較高，對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量有一定影響。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知，最大懸臂端及掛籃最外緣在橋面高度處風(fēng)速為13.6/16.1 m/s的豎向風(fēng)荷載及扭轉(zhuǎn)力矩組合情況下的最大豎向動(dòng)撓度為1.5 cm左右，為跨中梁高的1/266，動(dòng)撓度值較小，對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量影響不大。

6　結(jié)語(yǔ)

1）由計(jì)算結(jié)果可知，豎向渦激共振發(fā)生風(fēng)速與施工最大允許風(fēng)速較接近，施工過(guò)程中可能會(huì)發(fā)生豎向渦激共振現(xiàn)象，但共振振幅為0.006 1 m，數(shù)值較小，對(duì)施工過(guò)程中混凝土的澆筑影響較小。為確保結(jié)構(gòu)施工過(guò)程中的安全性，必要時(shí)可采取相應(yīng)措施以防止主梁發(fā)生豎向渦激共振。

2）由于作用在大跨度橋梁斷面上的豎向力（升力）和扭轉(zhuǎn)力矩一般由平均風(fēng)作用下的靜力和抖振慣性力組成，且平均風(fēng)下的靜力作用頻率較低，對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量的影響較小，抖振慣性力作用下頻率較高，只有純的抖振慣性力對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量有一定影響。由于目前橋梁抗風(fēng)理論水平及計(jì)算手段的限制，現(xiàn)在還無(wú)法做到將平均風(fēng)作用下的靜力和抖振慣性力剝離開(kāi)，現(xiàn)在只能根據(jù)平均風(fēng)作用下的靜力和抖振慣性力耦合計(jì)算結(jié)果來(lái)宏觀評(píng)價(jià)施工最大允許風(fēng)速對(duì)澆筑混凝土質(zhì)量的影響。計(jì)算所得最大動(dòng)撓度1.5 cm左右，為跨中梁高的1/266，動(dòng)撓度值較小，對(duì)混凝土澆筑質(zhì)量影響不大，只要嚴(yán)格按照J(rèn)TG/T F50—2011

《公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范》要求，大跨徑主梁施工時(shí)應(yīng)盡量縮短長(zhǎng)懸臂持續(xù)時(shí)間，以減少風(fēng)振的不利影響，必要時(shí)應(yīng)采取臨時(shí)抗風(fēng)措施。

[1]中國(guó)公路工程咨詢(xún)集團(tuán)有限公司.廣東省南澳大橋工程（第三合同段）施工圖及設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)[R].2008. China Highway Engineering Consulting Group Co.,Ltd.Shop drawings&design instruction for Nan′ao bridge in Guangdong Province(The 3rd contract package)[R].2008.

[2]中交第一航務(wù)工程局有限公司.廣東省南澳大橋工程（第三合同段）總體施工組織設(shè)計(jì)[R].2009. CCCC First Harbour Engineering Co.,Ltd.General construction plan for Nan'ao Bridge in Guangdong Province(The 3rd contract package)[R].2009.

[3]《Midas2012橋梁專(zhuān)用有限元分析軟件》使用說(shuō)明書(shū)[K].2012. User manual of Midas2012 Finite Element Analysis Software for Bridge[K].2012.

[4]李文治，訾銀輝.大跨度斜拉橋最大懸臂施工狀態(tài)動(dòng)力特性分析[J].山西建筑，2012，38（17）：212-214. LI Wen-zhi,ZI Yin-hui.Dynamic characteristics analysis on maximum cantilever construction condition of large span cable stayed bridge[J].Shanxi Architecture,2012,38(17):212-214.

[5]JTG/T D60-01—2004，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. JTG/T D60-01—2004,Wind-resistant design specification for highway bridges[S].

[6]林晨.典型橋梁斷面氣動(dòng)力特性的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究[D].上海：復(fù)旦大學(xué)，2003. LIN Chen.Wind tunnel experimental study on aerodynamic characteristics of typical bridge section[D].Shanghai:Fudan University, 2003.

[7]邱捷.橋梁典型斷面三分力系數(shù)雷諾數(shù)效應(yīng)數(shù)值研究[D].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)，2010. QIU Jie.Numerical study on three component coefficient Reynolds number effect of the typical section of bridge[D].Changsha:Central South University,2010.

Wind load effect on low-pylon cable-stayed bridge during construction of box girders

LI Chun-yuan
（No.3 Engineering Co.,Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Co.,Ltd.,Dalian,Liaoning 116083,China）

During the construction of concrete box girders for the main part of Nan'ao Bridge,the local wind conditions were extremely bad.We analyzed the dynamic characteristics of the structure under the effect of wind loading when the bridge was in its maximum cantilevering position.As there were no similar experience and parameters available,parameters for wind loads were rationally selected on the basis of the data of observation made in the early stage of the project.Safe and reliable measures were taken and the highest allowable wind velocity was scientifically and rationally controlled to effectively avoid the effect of the vertical vortex induced resonance on the quality of concrete.

low-pylon cable-stayed bridge;concrete box girder;construction stage;effect of wind loading

U448.27

A

2095-7874（2016）09-0026-05

10.7640/zggwjs201609006

2016-05-19

2016-06-28

李春元（1973— ），男，遼寧大連市人，高級(jí)工程師，總工程師，主要從事港口工程、公路工程施工。E-mail：815738931@qq.com