大跨度斜拉橋懸臂施工抗風措施研究

摘"要：大跨度斜拉橋懸臂施工過程中在風荷載作用下會產(chǎn)生較大的側(cè)向位移，影響斜拉橋的線性與受力性質(zhì)。通過在大跨度斜拉橋最大懸臂狀態(tài)下布置斜拉索，在不影響斜拉橋預拱度的情況下控制其側(cè)向位移。以某懸臂施工的斜拉橋為例，利用有限元軟件建立全橋的有限元模型，加入等效計算的風荷載和斜拉索。計算分析布置斜拉索的數(shù)量及最適合的角度范圍。其中，布置角度為20°～25°和30°～35°之間的2對斜拉索時，對斜拉橋側(cè)向位移控制程度較高并且對斜拉橋預拱度產(chǎn)生不利影響較低，為提高懸臂施工的斜拉橋施工階段的抗風性能提供了參考。

關(guān)鍵詞：斜拉橋"懸臂施工"抗風措施"有限元分析

Research"on"Wind"Resistance"Measures"for"Cantilever"Construction"of"Long-Span"Cable-Stayed"Bridges

LIN""Yichen1""ZHOU"Lei2

1.Department"of"Architectural"Engineering，"Hebei"Vocational"University"of"Industry"and"Technology，"Shijiazhuang，"Hebei"Province，"050000"China;2."Hangzhou"East"New"City"Construction"Investment"Co.，"Ltd.，"Hangzhou，"Zhejiang"Province，"310000"China

Abstract："In"the"cantilever"construction"process"of"long-span"cable-stayed"bridge，"significant"lateral"displacement"will"be"generated"under"the"action"of"wind"load，"which"affects"the"linearity"and"mechanical"properties"of"cable-stayed"bridge."By"arranging"stay"cables"in"the"maximum"cantilever"state"of"the"long-span"cable-stayed"bridge，"its"lateral"displacement"is"controlled"without"affecting"the"pre-camber"of"the"cable-stayed"bridge"as"much"as"possible."In"this"paper，"a"cable-stayed"bridge"with"cantilever"construction"is"taken"as"an"example，"and"the"finite"element"model"of"the"whole"bridge"is"established"by"using"finite"element"software，"and"the"equivalent"calculation"of"wind"load"and"the"designed"cable-stayed"cable"are"added"to"calculate"and"analyze"the"number"of"cables"and"the"most"suitable"angle"range."Among"them，"when"two"pairs"of"cable-stayed"cables"are"arranged"at"angles"between"20"°～25"°"and"30"°～35"°，"the"control"of"lateral"displacement"of"the"cable-stayed"bridge"is"relatively"high"and"the"adverse"effect"on"the"pre-camber"of"the"cable-stayed"bridge"is"low，"which"provides"a"reference"for"improving"the"wind"resistance"of"the"cable-stayed"bridge"in"the"construction"stage"of"cantilever"construction.

Key"Words："Cable-stayed"bridges;"Cantilever"construction;"Wind"resistance"measures;

Finite"element"analysis

中圖分類號：U445.4"""""""文獻標識碼：A

斜拉橋在施工階段的抗風性能低于成橋階段，特別是某些采用懸臂施工方法的大跨度斜拉橋在施工至最大懸臂狀態(tài)時，由于橫向風荷載的作用會產(chǎn)生較大的側(cè)向位移。陳玉江[1]研究發(fā)現(xiàn)最大單懸臂狀態(tài)下斜拉橋的豎向位移響應(yīng)和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)隨風速的增加而增大。李正[2]驗證了阻力系數(shù)不影響斜拉橋抗風穩(wěn)定性，升力系數(shù)、扭轉(zhuǎn)系數(shù)、斜拉索與橋塔風荷載、二期恒載對斜拉橋抗風穩(wěn)定性有影響。簡斌[3]通過風洞試驗系統(tǒng)研究了風速、風偏角和橋塔干擾效應(yīng)對施工期斜拉橋抖振響應(yīng)的影響。劉旭政等人[4]研究發(fā)現(xiàn)增設(shè)臨時風纜可使主梁豎彎基頻提高22.0%～32.5%對結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)基頻的影響效果不顯著；臨時風纜對主梁豎向位移和主塔順橋向位移控制有一定作用，固定位置在主梁最大懸臂長度的80%～90%范圍內(nèi)的效果較好。李曄等人[5]研究發(fā)現(xiàn)輔助墩、斜撐、調(diào)諧質(zhì)量阻尼器和抗風拉索的減振效率依次遞減。劉澤舉等人[6]對斜拉橋成橋與施工最大單懸臂狀態(tài)進行靜風失穩(wěn)全過程分析。

本文以某懸臂施工的大跨斜拉橋為例，建立全橋模型，對斜拉橋在風荷載的作用下產(chǎn)生的側(cè)向位移與斜拉橋懸臂端的下?lián)线M行計算，詳細比較了設(shè)置不同數(shù)量的斜拉索時不同角度的斜拉索對斜拉橋側(cè)向位移的控制程度，以及其對預拱度產(chǎn)生的不利影響程度。

1"工程概況

主梁采用鋼-組合箱梁，橋塔采用寶瓶型鋼筋混凝土塔，橋塔建在距離黃河岸邊70"m的位置處；斜拉索選用高強度平行鋼絲，呈平面扇形分布，中央索面布置。塔端錨固于上塔柱以及上塔柱中的鋼錨梁上，梁端錨固與鋼主梁內(nèi)的鋼錨箱上，主橋采用塔墩固結(jié)，塔梁分離的半漂浮體系，主梁與橋塔下橫梁之間設(shè)置一定數(shù)量的支座。

（1）為橋梁或構(gòu)件基準高度Z處的設(shè)計基準風速；為橋梁設(shè)計基本風速，取28.6"m/s；為橋址處的地表粗糙度系數(shù)，橋址處地表粗糙度為B類，取0.16；為抗風風險系數(shù)，根據(jù)橋梁抗風風險區(qū)域，取1.02。，氣動豎向力，氣動扭轉(zhuǎn)力矩，計算公式分別為：（2）（3）（4）（5）為空氣密度，取1.25"kg/m3；為等效靜陣風風速；為設(shè)計基準風速，取前文計算結(jié)果34.77"m/s；為等效靜陣風系數(shù)，取1.24；為主梁橫向力系數(shù)，取1.3；為主梁豎向力系數(shù)，取0.3；為主梁扭轉(zhuǎn)力系數(shù)，取0.05；2"數(shù)值模擬分析

利用有限元軟件建立全橋有限元模型，具體如下。主梁和橋墩采用自定義截面的梁單元進行模擬，斜拉索利用恩斯特公式修正過的等效桁架單元進行模擬。由于設(shè)置斜拉索時，選擇將斜拉索錨固在橋面板上，所以，斜拉索與橋面板的連接選用一般連接中的剛性。橋墩與地面之間選擇一般支撐，限制x、y、z"3個方向的位移與轉(zhuǎn)動。風荷載利用節(jié)點荷載中的方向進行加載。建立的全橋模型如圖1所示。

3"施工措施研究

斜拉索布置原則為：盡量選擇施工現(xiàn)場已有的鋼材作為斜拉索的材料；斜拉索布置盡量簡單，盡可能減少對施工空間的影響；施工過程中，在懸臂長度較小階段可不設(shè)置斜拉索，盡量減小由于設(shè)置斜拉索帶給斜拉橋預拱度的不利影響。

3.1"布置1對斜拉索

選擇設(shè)置斜拉索的角度時，如果角度過小，則會對斜拉橋的預拱度產(chǎn)生較大的不利影響；如果角度過大，則無法有效控制斜拉橋的側(cè)向位移。所以，在設(shè)置1對斜拉索時，首先將角度梯度分別設(shè)置為10°、15°、20°、25°，并對斜拉橋的側(cè)向位移和上撓進行試算，結(jié)果如表1所示。

由表1知，斜拉橋的側(cè)向位移隨著角度的增大，呈現(xiàn)先減小再增大的趨勢，在15°時側(cè)向位移最小，為23.51"mm，相比不加入風攬時側(cè)向位移的28.55"mm，減少18%。由于設(shè)置斜拉索對斜拉橋下?lián)袭a(chǎn)生的不利影響隨著角度的增加而不斷減小：角度為10。時，斜拉橋上撓受到的不利影響最大，為33%；15°～25°之間時，斜拉橋預拱度受到的不利影響相對較小，分別為15%、8%、5%。

布置1對斜拉索時，綜合考慮斜拉索對側(cè)向位移的控制和自身預拱度的不利影響，可將斜拉索的角度設(shè)置在15°～20°之間，可減少20%左右的側(cè)向位移，對自身預拱度的影響為15%左右。

3.2"布置2對斜拉索

僅布置1對斜拉索時，對斜拉橋側(cè)向位移的控制程度較低，無法滿足側(cè)向位移較大的斜拉橋的設(shè)計要求，故考慮布置2對斜拉索。

布置2對斜拉索時，綜合考慮布置2對角度不同的斜拉索之間相互影響：先從10°、30°、50°、70°、90°中任取兩個度數(shù)，布置斜拉索進行試算，并通過對側(cè)向位移的控制和斜拉橋預拱度受到的不利影響來確定斜拉索設(shè)置的大范圍。不同角度的斜拉索的側(cè)向位移計算結(jié)果如表2所示，上撓計算結(jié)果如表3所示。

由表2、表3中的數(shù)據(jù)可知，對于某一固定角度的斜拉索，其側(cè)向位移隨著另一對斜拉索角度的增大而增大，故布置2對斜拉索的角度宜選取1組較小的角度。從對斜拉橋的預拱度產(chǎn)生的不利影響來看：對于某一固定角度的斜拉索，其受到的不利影響隨著另一對斜拉索的角度的增大而減小。但是，設(shè)置10°的斜拉索對斜拉橋的預拱度產(chǎn)生的不利影響較大，為37%，故盡量不設(shè)置10°的斜拉索。

從前文的計算結(jié)果可知，設(shè)置2對斜拉索時，宜采用1對斜拉索的角度為30°左右，1對斜拉索的角度為50°左右。為確定設(shè)置斜拉索的更為精確的范圍，現(xiàn)在30°和50°范圍內(nèi)設(shè)置較小的角度梯度進行試算，斜拉橋側(cè)向位移計算結(jié)果如表4所示，上撓計算結(jié)果如表5所示。

根據(jù)表4和表5的計算結(jié)果可知，選取2對斜拉索的角度越小，斜拉橋的側(cè)向位移降低的越多。其中，選取15°和30°這一組度數(shù)的斜拉索時側(cè)向位移最小，可減少43%。選取2對斜拉索時，布置15°的斜拉索都會對斜拉橋預拱度產(chǎn)生較大的不利影響，平均為21%。但是，選取20°和30°的斜拉索時，側(cè)向位移比選取15°時僅減少3%，對斜拉橋預拱度的不利影響可降低11%。同時，考慮對斜拉橋的側(cè)向位移控制程度與對斜拉橋預拱度的不利影響的情況下，在選取2對斜拉索時，1對斜拉索的角度為20°～25°，1對斜拉索的角度為30°～35°，側(cè)向位移可降低40%，對預拱度產(chǎn)生的不利影響為10%。

3.3"布置3對斜拉索

結(jié)合布置1對和2對斜拉索時的計算結(jié)果及規(guī)律，現(xiàn)選擇部分角度對布置3對斜拉索的情況進行試算。從20°、25°、30°、35°中選取3個角度布置斜拉索，計算斜拉橋的側(cè)向位移和預拱度結(jié)果如下：布置20°、25°、30°的斜拉索時側(cè)向位移為16.05"mm，上撓為50.75nbsp;mm；布置20°、25°、35°的斜拉索時側(cè)向位移為16.16"mm，上撓為54.73"mm；布置20°、30°、35°的斜拉索時側(cè)向位移為16.30"mm，上撓為55.93"mm；布置25°、30°、35°的斜拉索時側(cè)向位移為17.56"mm，上撓為56.21"mm。

由計算結(jié)果可知，布置3對斜拉索時，對斜拉橋側(cè)向位移的降低程度為43%，與布置兩根斜拉索時降低的40%差別不大，且對斜拉橋預拱度的不利影響也無較大變化，故盡量不考慮布置3對斜拉索控制斜拉橋的側(cè)向位移。

4"結(jié)語

大跨度斜拉橋在有風的狀態(tài)下，施工到最大懸臂狀態(tài)或接近最大懸臂狀態(tài)時產(chǎn)生的側(cè)向位移可通過設(shè)置不同數(shù)量和角度的斜拉索進行控制，現(xiàn)得出如下結(jié)論：

（1）綜合考慮布置1對、2對、3對斜拉索的計算結(jié)果：布置2對斜拉索相較于布置1對斜拉索時對側(cè)向位移的降低程度更為明顯，相對布置3對斜拉索時效率更高，且對斜拉橋自身預拱度產(chǎn)生的不利影響也無較大變化。

（2）斜拉橋產(chǎn)生的側(cè)向位移較小時，可設(shè)置1對角度在15°～20°之間的斜拉索；斜拉橋產(chǎn)生的側(cè)向位移較大時，可選擇設(shè)置2對斜拉索，1對斜拉索的角度宜為20°～25°，另1對斜拉索的角度宜為30°～35°。

參考文獻

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