段瑞芳 柳穎臣 郝憲武

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018;2.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000;3.長(zhǎng)安大學(xué)橋梁所，陜西 西安 710064)

在西部地區(qū)，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋以其獨(dú)特的優(yōu)越性，深得設(shè)計(jì)者們的喜愛(ài)。隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，連續(xù)剛構(gòu)的橋墩會(huì)逐漸增高，跨度逐漸增大。而這些橋梁多分布在山區(qū)溝谷地形、地貌特別復(fù)雜的地區(qū)。在這些地方的風(fēng)環(huán)境因受到地形的影響，其風(fēng)速、風(fēng)向以及空間分布變得較為復(fù)雜。高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋的施工方式多采用懸臂澆筑的方式進(jìn)行，在橋墩較高的情況下，懸臂施工過(guò)程中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，對(duì)外界風(fēng)荷載的作用反應(yīng)較為敏感。結(jié)構(gòu)在外界復(fù)雜的風(fēng)荷載的作用下易發(fā)生較大振動(dòng)響應(yīng)，結(jié)構(gòu)過(guò)大的振動(dòng)會(huì)威脅到結(jié)構(gòu)自身的安全以及在結(jié)構(gòu)上工作人員的安全。對(duì)于高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋結(jié)構(gòu)，針對(duì)其施工過(guò)程中展開(kāi)抗風(fēng)性能的研究，不僅具有較好的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)對(duì)于提高我國(guó)高墩大跨度橋梁的發(fā)展有著十分重要的意義。

1 風(fēng)對(duì)剛構(gòu)懸臂的影響

對(duì)高墩大跨橋梁進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)，主要是為保障結(jié)構(gòu)在施工階段以及成橋運(yùn)營(yíng)中可能承受的外界風(fēng)荷載的作用下結(jié)構(gòu)的安全。

本文實(shí)例工程跨徑為:(75+2×140+75)m。在《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》指出:根據(jù)多年的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于跨徑小于150 m的公路橋梁，結(jié)構(gòu)的剛度一般較大，風(fēng)荷載引起的振動(dòng)比較小，與靜風(fēng)荷載相比，動(dòng)力風(fēng)荷載是次要的，采用短時(shí)距的陣風(fēng)風(fēng)速進(jìn)行靜力抗風(fēng)設(shè)計(jì)，已能夠滿(mǎn)足橋梁在風(fēng)作用下的抗風(fēng)設(shè)計(jì)要求，因而可不進(jìn)行復(fù)雜的風(fēng)致振動(dòng)的分析和動(dòng)力抗風(fēng)分析。

1.1 結(jié)構(gòu)自振特性分析

結(jié)構(gòu)自振特性分析結(jié)果顯示:隨著主梁懸臂施工的進(jìn)行，懸臂長(zhǎng)度逐漸增大，這個(gè)過(guò)程中結(jié)構(gòu)基頻呈現(xiàn)了逐漸減小的趨勢(shì)，自結(jié)構(gòu)上部箱梁的第二號(hào)塊段施工到結(jié)構(gòu)的最大懸臂階段，結(jié)構(gòu)的基頻減小幅度達(dá)44.88%。同時(shí)，最大雙懸臂狀態(tài)的自振頻率為0.162 3。而結(jié)構(gòu)在其成橋運(yùn)營(yíng)階段的自振頻率為0.351。后者由于“T”構(gòu)連接形成一個(gè)整體，共同承擔(dān)外部的作用，此階段結(jié)構(gòu)剛度比較大，其穩(wěn)定性較好。而結(jié)構(gòu)的最大雙懸臂階段，上部結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)懸臂僅通過(guò)高墩與基礎(chǔ)相連，懸臂兩端沒(méi)有任何約束。說(shuō)明最大高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在其最大懸臂階段穩(wěn)定性最差。

1.2 結(jié)構(gòu)在最不利狀態(tài)的靜陣風(fēng)作用內(nèi)力分析

由上節(jié)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析得知，在最大懸臂狀態(tài)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性最差。本節(jié)針對(duì)依托工程，研究結(jié)構(gòu)在靜陣風(fēng)荷載作用下，分析結(jié)構(gòu)的主梁懸臂根部以及主墩墩底兩個(gè)最不利截面的內(nèi)力分布情況。1)主梁靜陣風(fēng)荷載計(jì)算分析。對(duì)于高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，最大懸臂狀態(tài)的穩(wěn)定性最差。一般在橋梁的初步設(shè)計(jì)階段，進(jìn)行于靜陣風(fēng)荷載設(shè)計(jì):主要驗(yàn)算結(jié)構(gòu)在最大風(fēng)荷載作用下，可能產(chǎn)生的最大風(fēng)載內(nèi)力。在抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范［3］中指出:在橫橋向風(fēng)作用下主梁?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度上的橫向靜風(fēng)荷載可按下式計(jì)算:橫向風(fēng)荷載:結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載的加載方法。為了能夠真實(shí)的反映出對(duì)高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋的最大懸臂T構(gòu)階段進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)分析，必須考慮風(fēng)載可能發(fā)生的各種不利荷載的作用，依次對(duì)橋梁進(jìn)行加載，以保證橋梁結(jié)構(gòu)的安全。在進(jìn)行懸臂施工的連續(xù)剛構(gòu)橋，必須計(jì)算下列風(fēng)荷載內(nèi)力［6］:a.主梁懸臂根部最大的橫橋向彎矩和剪力;b.橋墩墩底截面的最大橫向彎矩;c.橋墩墩底截面的最大扭矩。為了能夠比較真實(shí)地反映風(fēng)荷載作用下的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在其最大雙懸臂狀態(tài)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，根據(jù)相關(guān)規(guī)范，考慮多種最不利的情況進(jìn)行加載。加載按表1中三種情況進(jìn)行，各工況加載示意圖見(jiàn)圖1。

1.3 結(jié)構(gòu)靜風(fēng)荷載作用結(jié)果分析

利用有限元分析軟件Midas/civil 2010，對(duì)連續(xù)剛構(gòu)橋在其最大懸臂施工階段進(jìn)行靜陣風(fēng)荷載作用模擬分析。

表1 加載方式

圖1 加載示意圖

1)結(jié)構(gòu)撓度分析。在懸臂兩端對(duì)稱(chēng)的陣風(fēng)荷載工況一作用下，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大橫向撓度為41.32 mm，豎向最大撓度為－27.80 mm，結(jié)構(gòu)在橫橋向發(fā)生0.038°的轉(zhuǎn)角。工況二:結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大橫向撓度為46.47 mm，豎向最大撓度為－27.80 mm(且左右懸臂兩端撓度不同)，結(jié)構(gòu)在橫橋向發(fā)生0.041°的轉(zhuǎn)角。工況三:考慮到極端天氣的可能性，結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的最大橫向撓度為50.72 mm，豎向最大撓度為 －27.80 mm，結(jié)構(gòu)繞橋墩向發(fā)生0.004°的扭轉(zhuǎn)。結(jié)構(gòu)在各工況下的撓度見(jiàn)表2。

表2 靜風(fēng)荷載作用下懸臂端位移 mm

表3 結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下各工況作用下橋墩截面內(nèi)力

表4 結(jié)構(gòu)最大懸臂狀態(tài)下各工況作用下懸臂根部截面內(nèi)力

2)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析。由表3，表4分析可知:結(jié)構(gòu)的墩底截面在對(duì)稱(chēng)的陣風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生較大的z向彎矩，結(jié)構(gòu)的扭矩較小。在非對(duì)稱(chēng)的陣風(fēng)荷載作用下，在結(jié)構(gòu)的主墩墩底截面產(chǎn)生較大的扭矩，對(duì)懸臂根部截面的扭矩影響不大。在考慮極端天氣的風(fēng)場(chǎng)分布情況下，橋墩底部出現(xiàn)較大的扭矩。

對(duì)以上內(nèi)力結(jié)果分析可知:在以上的幾種荷載工況作用下，結(jié)構(gòu)的墩底處對(duì)各工況的作用比較敏感，而對(duì)主梁的影響較小。

3)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析。在以上三種不同的荷載工況作用下，懸臂根部的應(yīng)力均為壓應(yīng)力，沒(méi)有出現(xiàn)拉應(yīng)力。通過(guò)比較:在以上三種工況作用下，懸臂根部截面的應(yīng)力變化較小。滿(mǎn)足混凝土的施工要求，結(jié)構(gòu)施工安全。

根據(jù)上述三個(gè)荷載工況作用下的結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析:結(jié)構(gòu)的剛度較大，靜陣風(fēng)荷載對(duì)結(jié)構(gòu)的影響較小，結(jié)構(gòu)的位移以及截面的應(yīng)力變化較小，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能良好。

2 結(jié)語(yǔ)

本文以跨徑為(75+2×140+75)m高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋?yàn)楸尘?。首先，推算出依托工程的橋址處抗風(fēng)設(shè)計(jì)風(fēng)速;其次，在結(jié)構(gòu)的最大雙懸臂階段，對(duì)靜陣風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)的內(nèi)力進(jìn)行詳細(xì)的分析;最后，并采用簡(jiǎn)化的動(dòng)力荷載模擬分析結(jié)構(gòu)在動(dòng)力荷載作用下對(duì)結(jié)構(gòu)上工作人員的舒適性做了討論。得出以下主要結(jié)論:在T型剛構(gòu)施工過(guò)程中，隨著懸臂的伸長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)的自振頻率逐漸降低，結(jié)構(gòu)的剛度逐漸降低，柔性變大。故在施工到結(jié)構(gòu)的最大雙懸臂時(shí)，是受力最不利的階段，應(yīng)加以重視。

對(duì)于T型剛構(gòu)的最大雙懸臂狀態(tài)，通過(guò)考慮不同的三種加載工況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜陣風(fēng)分析，通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的懸臂根部截面以及橋墩墩底截面的內(nèi)力、位移和應(yīng)力結(jié)果對(duì)比分析，在靜陣風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)的橫向位移相對(duì)較大，而對(duì)豎向的位移影響很小。不同的加載方式對(duì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力影響比較大，故結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程的內(nèi)力計(jì)算需考慮風(fēng)荷載的影響。

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