大跨徑橋梁施工中空氣靜力的特性研究

鐘煒林

摘要：文章基于大跨徑橋梁施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀，分析了當(dāng)前空氣靜力特性理論的研究與應(yīng)用情況，闡述了空氣靜力穩(wěn)定性的有限元模型分析方法、結(jié)構(gòu)幾何計(jì)算方法以及靜力載荷計(jì)算方法，總結(jié)了研究中需注意的問(wèn)題，并通過(guò)工程實(shí)際案例，完成了空氣靜力特性試驗(yàn)，研究了橋體主梁空氣靜力載荷與振動(dòng)臨界風(fēng)速之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：大跨徑;橋梁施工;空氣靜力;研究

中圖分類號(hào)：U441 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.09.041

文章編號(hào)：1673-4874（2019）09-0146-04

0引言

隨著我國(guó)橋梁工程技術(shù)的不斷發(fā)展和進(jìn)步，越來(lái)越多高難度、高技術(shù)含量的橋梁在不斷施工建設(shè)，為提高各地區(qū)交通運(yùn)力、帶動(dòng)當(dāng)?shù)亟?jīng)濟(jì)發(fā)展起到了至關(guān)重要的作用。大跨徑橋梁的施工因工程質(zhì)量高、施工難度大被視為橋梁工程屆的難題.近年來(lái)，通過(guò)我國(guó)工程技術(shù)人員的長(zhǎng)期探索和工程試驗(yàn)，在大跨徑橋梁施工方面積累了很多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)過(guò)該領(lǐng)域的專家和學(xué)者們的共同努力，現(xiàn)階段大跨徑橋梁的施工技術(shù)已取得了一定的成果并逐漸走向成熟。港珠澳大橋的順利通車使得我國(guó)在國(guó)際上大跨徑橋梁施工領(lǐng)域中的地位進(jìn)一步突顯。于2019-05-01前通車的虎門二橋無(wú)論在施工技術(shù)、施工設(shè)備以及施工驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)方面都處于國(guó)際領(lǐng)先地位，為粵港澳大灣區(qū)經(jīng)濟(jì)帶的建設(shè)提供了有利支撐。本文以大跨徑橋梁施工技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀為研究背景，從大跨徑橋梁施工技術(shù)的難點(diǎn)出發(fā)，分析了空氣靜力特性理論，通過(guò)有限元模型的方法研究了空氣靜力對(duì)橋梁的影響。本文研究?jī)?nèi)容可為大跨徑橋梁施工中的空氣靜力特性研究提供參考，具有相應(yīng)的工程應(yīng)用價(jià)值。

1大跨徑橋梁施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

我國(guó)橋梁工程在經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展之后，橋梁結(jié)構(gòu)在逐漸變輕，橋梁的載荷與跨度在逐漸增加，這與橋梁工程領(lǐng)域新施工材料和施工技術(shù)的發(fā)展密不可分。新時(shí)期為適應(yīng)各領(lǐng)域建設(shè)的需要，如山峰景區(qū)、跨海通行等，在大跨徑橋梁的施工與建設(shè)方面，對(duì)建筑材料、施工工藝、橋梁美學(xué)以及橋梁整體質(zhì)量也提出了更高的要求。當(dāng)橋梁跨度超過(guò)500m時(shí)，橋梁的應(yīng)力幾乎已達(dá)到極限值，只有提高施工材料的標(biāo)號(hào)才能適應(yīng)橋梁跨度增加的需要。在斜拉橋的施工中，可通過(guò)使用碳纖維材料代替鋼索的方式來(lái)增加橋梁跨度。因此，為不斷滿足日益增加的橋梁跨度需求，使用新型的施工材料和施工工藝是必然趨勢(shì)。未來(lái)大跨徑橋梁的施工材料將向著強(qiáng)度高、重量輕的方向發(fā)展，在載荷能力、抗風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)方面也均有顯著的提高。

2 空氣靜力特性理論研究與應(yīng)用情況

新施工技術(shù)和施工材料的不斷應(yīng)用使得橋梁的跨徑在不斷增加，當(dāng)橋梁的跨徑達(dá)到一定值時(shí)將給工程主體的施工帶來(lái)相應(yīng)難度，同時(shí)也會(huì)帶來(lái)一系列的工程問(wèn)題，如空氣靜力特性中結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的情況?？諝忪o力失穩(wěn)情況通常在橋梁遇到強(qiáng)靜風(fēng)作用時(shí)發(fā)生，使得橋梁彎曲或扭轉(zhuǎn)，使橋梁的結(jié)構(gòu)剛度發(fā)生改變，同時(shí)也改變了橋梁的靜風(fēng)載荷能力，進(jìn)一步增加了橋梁結(jié)構(gòu)的形變，并最終引起橋梁結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，橋梁扭轉(zhuǎn)、移位會(huì)進(jìn)一步造成風(fēng)攻角的改變，進(jìn)而反作用于橋體結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)載荷。我國(guó)在空氣靜力特性理論方面的研究比較深入，在《大跨徑橋梁施工抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對(duì)強(qiáng)風(fēng)情況下的橋梁結(jié)構(gòu)狀態(tài)進(jìn)行了說(shuō)明，具體來(lái)說(shuō)將橋梁的失穩(wěn)狀態(tài)分為側(cè)傾和扭轉(zhuǎn)兩種，在小變位狀態(tài)基礎(chǔ)上通過(guò)二維模型推導(dǎo)出失穩(wěn)狀態(tài)的臨界計(jì)算公式，也可通過(guò)三維建模方法來(lái)求得大跨徑橋梁的空氣靜力扭轉(zhuǎn)極限風(fēng)速。不同中跨跨徑下的空氣靜力失穩(wěn)臨界風(fēng)速對(duì)比如表、所示。

3 空氣靜力穩(wěn)定性的有限元分析方法

隨著計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展，在橋梁工程施工中有限元分析方法也得到了廣泛的應(yīng)用，并成為研究橋梁結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的主要方法。常見(jiàn)的有限元分析系統(tǒng)有ANSYS和MIDAS等。本文研究過(guò)程采用ANSYS有限元分析方法，討論大跨徑橋梁的空氣靜力穩(wěn)定性。

3.1橋梁結(jié)構(gòu)有限元模型

有限元模型分析的基本要求是在保證橋梁結(jié)構(gòu)合理的同時(shí)簡(jiǎn)化計(jì)算模型，并維持橋梁結(jié)構(gòu)良好的質(zhì)量、剛度。以橋梁的主梁施工為例，通常有單梁、雙梁以及三梁等幾種建筑模型。單梁模型較常見(jiàn)，在此模型中，軸線經(jīng)過(guò)主梁的斷面扭心，使得整個(gè)梁體剛度、質(zhì)量分布以及質(zhì)量慣矩在軸線上集中。該模型在扭轉(zhuǎn)剛度較大的箱梁中較為適用。依據(jù)空間桿系的穩(wěn)定性理論，橋梁空氣靜力特性問(wèn)題可歸類為如下非線性方程模型：

（[K]+[K]）{φ}={G} （1）

其中匯[K]代表橋梁彈性剛度矩陣，反映了各單元截面剛度情況;[K]代表橋梁幾何剛度矩陣，與橋梁結(jié)構(gòu)中各單元幾何長(zhǎng)度、位置以及各單元自身軸力相關(guān)。[K]與[K]將隨著橋梁結(jié)構(gòu)的變化而變化。{G}代表橋體結(jié)構(gòu)所受阻力的函數(shù);{φ}代表阻尼系數(shù).通過(guò)迭代法求解此非線性方程。在求解過(guò)程中考慮到橋梁結(jié)構(gòu)的空氣靜力響應(yīng)程度，將阻力、升力以及扭矩按照分段直線的方式擬合。在求解發(fā)散風(fēng)速時(shí)，確定攻角后假設(shè)初始風(fēng)速為V，由橋梁空氣靜力響應(yīng)曲線得到相應(yīng)的主梁扭轉(zhuǎn)角度，以此作為新一級(jí)風(fēng)速狀態(tài)進(jìn)行再次計(jì)算，直到計(jì)算結(jié)果收斂為止。而此時(shí)求出的風(fēng)速便是橋梁空氣靜力狀態(tài)下的臨界失穩(wěn)風(fēng)速。不同臨界風(fēng)速求解方法的比較分析如表2所示。

3.2結(jié)構(gòu)幾何計(jì)算方法

結(jié)構(gòu)幾何計(jì)算方法是指橋梁結(jié)構(gòu)的形變達(dá)到閾值后，橋梁所受應(yīng)力和橋體位移之間不再具有線性關(guān)系。而且橋梁總體剛度取決于各單元?jiǎng)偠龋茨硞€(gè)單元發(fā)生位移后，該單元會(huì)影響橋梁總體的剛度變化。單元位移變化包括單元的形狀和位置的改變，在某種情況下，剛度和位移彼此影響、相互作用。橋梁結(jié)構(gòu)中面外的剛度受結(jié)構(gòu)面內(nèi)應(yīng)力影響較大，面內(nèi)應(yīng)力與剛度間共同構(gòu)成應(yīng)力剛化。值得注意的是，懸索及吊桿發(fā)生應(yīng)力剛化的程度在橋梁的主跨結(jié)構(gòu)中較為顯著，主跨扭轉(zhuǎn)位移趨勢(shì)曲線如圖1所示。

3.3 靜力載荷計(jì)算方法

靜力載荷是指在靜風(fēng)載荷作用下，橋梁載荷的大小隨橋梁結(jié)構(gòu)的變化而變化的情況。一般而言，大跨徑橋梁施工過(guò)程主要包括主梁、懸索以及吊桿等部分，且主梁、懸索以及吊桿部分的施工僅考慮靜力載荷中的阻力因素。假設(shè)橋梁在形變過(guò)程中上述工序在靜力載荷情況下所受阻力大小恒定，并且將主梁部分所受靜力載荷細(xì)分為三個(gè)層面的分力，即阻力、升力以及扭矩，則在風(fēng)速等級(jí)不斷增加的過(guò)程中，主梁結(jié)構(gòu)將發(fā)生扭轉(zhuǎn)，進(jìn)而使阻力、升力以及扭矩的計(jì)算系數(shù)發(fā)生改變，最終引起主梁上靜力載荷變化。因此，可將主梁所受靜力載荷視作其形變的函數(shù)。主梁靜力系數(shù)曲線如圖2所示。

3.4 其他需要注意的問(wèn)題

（1）體軸坐標(biāo)系的選用原則

如果選用體軸坐標(biāo)系進(jìn)行橋梁靜力載荷計(jì)算時(shí)，要注意體軸坐標(biāo)系應(yīng)與有限元模型計(jì)算時(shí)所用的坐標(biāo)系一致，以盡量減少橋梁靜力載荷在各坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換過(guò)程，最大程度上節(jié)約計(jì)算資源，從而降低求解所耗時(shí)間。

（2）體軸坐標(biāo)系的適用范圍

在體軸坐標(biāo)系情況下，靜風(fēng)載荷的計(jì)算過(guò)程僅與主梁實(shí)際發(fā)生的扭轉(zhuǎn)情況有關(guān)。具體來(lái)說(shuō)通過(guò)主梁的扭轉(zhuǎn)角來(lái)衡量，與風(fēng)攻角無(wú)關(guān)。但在風(fēng)軸坐標(biāo)系情況下的靜力載荷則與風(fēng)攻角有關(guān)，這里所指的攻角為風(fēng)的初始攻角。因此，為便于靜力載荷的加載和計(jì)算，試驗(yàn)過(guò)程應(yīng)在體軸坐標(biāo)系下完成。

4工程實(shí)例分析

以廣西柳州某連續(xù)箱梁懸索橋工程為例，計(jì)算該橋主梁空氣靜力載荷數(shù)值。在0°攻角情況下，通過(guò)有限元非線性振動(dòng)分析程序，選取該橋主梁部分節(jié)段進(jìn)行靜力分力（阻力、升力和升力矩）系數(shù)測(cè)試。其中，橋梁結(jié)構(gòu)的阻尼比為0.5%，分析上述分力對(duì)于大跨徑懸索橋的空氣靜力穩(wěn)定性影響。

4.1工程概況

該橋主跨410m，主纜由五跨構(gòu)成，成橋情況下跨徑組合為（22.385+152.146+410.0+152.146+22.385）m。主跨的垂跨比為1：9，吊索位于中跨，橋塔側(cè)吊索與橋塔中心水平距離為10m，其他吊索的水平距離也為10m。主纜使用平行索股（PPWS）。

4.2 主梁空氣靜力載荷分析

空氣靜力非線性效應(yīng)對(duì)于臨界振動(dòng)風(fēng)速的影響分析如表3所示。由表3線性、非線性數(shù)據(jù)比較可知，空氣靜力與橋體結(jié)構(gòu)彼此作用的非線性結(jié)果使橋梁振動(dòng)的臨界風(fēng)速提高了3.1m/s，增幅近5%。這表明空氣靜力與橋體結(jié)構(gòu)彼此作用的非線性效果在大跨徑懸索橋的穩(wěn)定性影響因素中比較顯著。振動(dòng)臨界風(fēng)速值的增加，與空氣靜力情況下主梁的扭轉(zhuǎn)形變產(chǎn)生的負(fù)攻角有關(guān)。通過(guò)工程經(jīng)驗(yàn)值可知，在風(fēng)洞試驗(yàn)過(guò)程中，在攻角為-3°時(shí)的穩(wěn)定性高于0°，主梁的扭轉(zhuǎn)形變而形成的負(fù)攻角對(duì)于提高橋體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性具有積極作用。當(dāng)僅考慮靜力非線性而不考慮空氣動(dòng)力情況時(shí)，振動(dòng)臨界風(fēng)速相比于線性分析提高了0.7m/s，即振動(dòng)臨界風(fēng)速值的提高與橋體結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化相關(guān)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文以當(dāng)前我國(guó)大跨徑橋梁的施工技術(shù)和工程問(wèn)題為研究背景，對(duì)大跨徑橋梁施工中的空氣靜力特性進(jìn)行了深入研究，在橋梁結(jié)構(gòu)的有限元模型、橋梁結(jié)構(gòu)的幾何計(jì)算以及橋梁結(jié)構(gòu)的靜力載荷計(jì)算方面進(jìn)行了詳細(xì)討論。在工程實(shí)例分析中，通過(guò)廣西柳州某連續(xù)箱梁懸索橋的空氣靜力特性試驗(yàn)，闡述了橋體主梁空氣靜力載荷與振動(dòng)臨界風(fēng)速之間的關(guān)系。本文研究?jī)?nèi)容可為我國(guó)大跨徑橋梁施工中的空氣靜力特性研究提供參考，具有一定的工程實(shí)用價(jià)值。