楊鴻波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司　貴陽(yáng)　550081)

赫章特大橋施工最大懸臂狀態(tài)風(fēng)致抖振響應(yīng)分析*

楊鴻波

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司貴陽(yáng)550081)

摘要文中以赫章特大橋?yàn)檠芯繉?duì)象，進(jìn)行了最大懸臂狀態(tài)風(fēng)致抖振響應(yīng)分析。對(duì)橋址區(qū)風(fēng)環(huán)境進(jìn)行數(shù)值模擬，在此基礎(chǔ)上開(kāi)展最大懸臂施工階段的風(fēng)致抖振響應(yīng)分析，獲得了結(jié)構(gòu)內(nèi)力、位移響應(yīng)規(guī)律。采用Diekemann舒適度指標(biāo)對(duì)該橋施工人員的安全性和舒適性進(jìn)行預(yù)評(píng)。分析結(jié)果表明，施工最大懸臂狀態(tài)在抖振作用下的Diekemann舒適度指標(biāo)值較小，對(duì)施工人員安全性、舒適性影響不大。

關(guān)鍵詞連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工狀態(tài)抖振響應(yīng)Diekemann 指標(biāo)

隨著連續(xù)剛構(gòu)橋墩高和跨度的不斷增加，結(jié)構(gòu)趨于輕柔化和長(zhǎng)細(xì)化，風(fēng)致振動(dòng)問(wèn)題更為顯著。尤其風(fēng)致抖振問(wèn)題在大跨度連續(xù)剛構(gòu)橋施工過(guò)程需要重點(diǎn)關(guān)注[1]。同時(shí)，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋懸臂施工合龍前結(jié)構(gòu)體系尚未形成，使得風(fēng)致抖振問(wèn)題更為突出，因而風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)就成為橋梁設(shè)計(jì)、施工人員十分關(guān)心的問(wèn)題[2]。本文以赫章特大橋?yàn)楸尘肮こ?，首先開(kāi)展大橋周?chē)L(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，基于隨機(jī)抖振分析理論，利用諧波合成法模擬脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，建立抖振力風(fēng)荷載模型，采用有限元對(duì)該橋進(jìn)行了脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的抖振分析,并利用抖振分析結(jié)果對(duì)該橋施工人員的安全性和舒適性進(jìn)行了評(píng)估。

1工程背景

赫章特大橋?yàn)橘F州畢威高速公路赫章段的一座跨河特大橋。主橋上部結(jié)構(gòu)為96 m+2×180 m+96 m預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋。橋梁下部結(jié)構(gòu)主墩為薄壁墩空心墩，11號(hào)主墩高達(dá)195 m，為預(yù)應(yīng)力連續(xù)剛構(gòu)世界第一高墩。構(gòu)造示意圖見(jiàn)圖1、圖2。

圖1　赫章特大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2　11號(hào)主墩構(gòu)造圖(單位：cm)

2西部山區(qū)風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬

在平原和沿海地區(qū), 其橋位處的風(fēng)特性大多屬于A類(lèi)或B類(lèi)地貌。對(duì)于這2類(lèi)地貌的風(fēng)環(huán)境特性,我國(guó)的橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范已經(jīng)給出了相應(yīng)的平均風(fēng)剖面與湍流特性參數(shù)，抗風(fēng)計(jì)算或風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)可以直接采用。但對(duì)位于地形復(fù)雜的山區(qū)橋梁，橋址處風(fēng)場(chǎng)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外橋梁風(fēng)工程界的相關(guān)研究非常少，我國(guó)抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范中也沒(méi)有明確處理方法，峽谷和山口因兩側(cè)山高，氣流受阻, 在峽谷、山口處形成高風(fēng)速區(qū), 通常風(fēng)速增大10%～20%，相應(yīng)地風(fēng)壓增大20%～40%，因此對(duì)赫章特大橋橋址處進(jìn)行了風(fēng)特性數(shù)值模擬。

模擬中在橋位上設(shè)置14個(gè)風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)，所有的風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)通過(guò)與設(shè)置在地面附近的氣象站風(fēng)速觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行風(fēng)速大小對(duì)比來(lái)標(biāo)定橋位處的風(fēng)速分布。風(fēng)速測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)分別為橋面上各個(gè)橋墩位置及主跨的跨中位置分別對(duì)應(yīng)的1～7測(cè)點(diǎn)，11號(hào)主墩的3個(gè)測(cè)點(diǎn)(橋墩1/4，1/2，3/4高度處)及旁邊4個(gè)橋墩中間位置處布置的4個(gè)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置見(jiàn)圖 3。為了進(jìn)一步獲得場(chǎng)地地形類(lèi)別參數(shù)，將橋位處不同高度處的修正系數(shù)與橋位10 m高度的修正系數(shù)(數(shù)值計(jì)算為0.78)相比，建立橋位風(fēng)速修正系數(shù)關(guān)系圖，見(jiàn)圖4，擬合結(jié)果顯示α=0.21最接近分析結(jié)果，由此可見(jiàn)橋位場(chǎng)地類(lèi)別接近C類(lèi)場(chǎng)地。

圖3　橋位風(fēng)速監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

圖4　風(fēng)場(chǎng)指數(shù)擬合結(jié)果

3脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)模擬

脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)的數(shù)字模擬是時(shí)域抖振分析的前提[3]。本研究采用FFT技術(shù)對(duì)隨機(jī)過(guò)程進(jìn)行了模擬，從而獲得各質(zhì)點(diǎn)處的脈動(dòng)風(fēng)速時(shí)程。施工階段設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為33.2 m/s。11號(hào)主墩主梁分為12塊，編號(hào)方式為主梁與橋墩連接處依次向左為第1~6塊，依次向右為第7~12塊，橋墩從上至下依次為13~18塊。10號(hào)、12號(hào)主墩主梁分為12塊，橋墩分為4塊，編號(hào)方式各墩相同。分塊后，所得的風(fēng)速塊區(qū)域中心點(diǎn)離地面高度見(jiàn)圖5。經(jīng)FFT模擬計(jì)算，11號(hào)主墩1號(hào)塊和12號(hào)主墩的脈動(dòng)風(fēng)速-時(shí)程曲線見(jiàn)圖6。

a)　11號(hào)主墩

b)　12號(hào)主墩

a)　11號(hào)主墩

b)　12號(hào)主墩

4施工最大懸臂狀態(tài)動(dòng)力特性分析

采用ANSYS建立主墩最大懸臂施工階段下有限元模型，對(duì)該模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析。其中主梁與墩柱采用三維空間梁?jiǎn)卧M，整個(gè)橋梁的上部結(jié)構(gòu)在承臺(tái)處固結(jié)。由表1可見(jiàn)，在11號(hào)主墩施工最大懸臂階段，第1和第2階振型分別為橋墩縱橋向和側(cè)向彎曲，前兩階自振頻率分別為0.152和0.188 Hz，而第3階自振頻率為0.376 Hz，說(shuō)明前兩階振型對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)起主要控制作用。12號(hào)主墩施工最大懸臂狀態(tài)前3階自振頻率分別為0.163，0.214，和0.263 Hz，而第4階自振頻率為0.551 Hz，說(shuō)明前3階振型對(duì)結(jié)構(gòu)振動(dòng)起主要控制作用。

表1　主墩施工最大懸臂狀態(tài)動(dòng)力特性分析表

5結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)分析

將風(fēng)速時(shí)程轉(zhuǎn)化為抖振力時(shí)程，施加在相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)上，進(jìn)行瞬態(tài)分析，分析采用時(shí)間步長(zhǎng)為0.01 s，結(jié)構(gòu)阻尼比為0.02。作用在結(jié)構(gòu)上的抖振力可以按照下式計(jì)算：抖振響應(yīng)分析中結(jié)構(gòu)受到的風(fēng)荷載包括靜風(fēng)力、抖振力。由于混凝土連續(xù)剛構(gòu)橋剛度較大，可不考慮自激力作用，抖振力采用Davenport抖振力模型[4-6]，抖振分析采用前40 s風(fēng)速時(shí)程，計(jì)算得到11號(hào)主墩和12號(hào)主墩主梁上迎風(fēng)側(cè)懸臂端節(jié)點(diǎn)位移，其時(shí)程曲線見(jiàn)圖7。

a)　11號(hào)主墩

b)　12號(hào)主墩

5.1　結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)結(jié)果分析

最大懸臂施工階段抖振響應(yīng)分析分別取11號(hào)主墩和12號(hào)主墩結(jié)果為參考對(duì)象，在脈動(dòng)風(fēng)作用下，11號(hào)主墩豎向位移最大值為2.568 cm，橫橋向最大位移為7.301 cm；豎向位移平均值為0.701 cm，橫橋向位移平均值為4.632 cm。12號(hào)主墩豎向位移最大值為1.823 cm，橫橋向最大位移為14.457 cm；豎向位移平均值為0.128 cm，橫橋向位移平均值為3.595 cm，關(guān)鍵點(diǎn)位移響應(yīng)見(jiàn)表2。

表2　關(guān)鍵點(diǎn)位移響應(yīng)　cm

5.2　施工人員安全性和舒適性評(píng)價(jià)

橋梁振動(dòng)會(huì)對(duì)人體產(chǎn)生心理和生理效應(yīng)。風(fēng)引起的橋梁抖振會(huì)引起施工人員的不舒適和不安

全感。人對(duì)諧振的感覺(jué)和反應(yīng)通?？捎肈iekmann 指標(biāo)K值來(lái)衡量，其評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表 3和表 4。

表3　Diekemann 指標(biāo)K計(jì)算公式

表4　Diekemann 指標(biāo)K評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)

盡管抖振響應(yīng)不是一個(gè)單一頻率的諧振, 但由于橫向振動(dòng)和豎向振動(dòng)均由一種模態(tài)起控制作用，故仍可以當(dāng)作單一頻率的諧振來(lái)對(duì)待。該橋最大懸臂施工階段橫向、豎向自振頻率值及Diekmann指標(biāo)值見(jiàn)表5和表6。

表5　11號(hào)主墩最大懸臂施工狀態(tài)K值

表6　12號(hào)主墩最大懸臂施工狀態(tài)K值

結(jié)果表明，各主墩最大懸臂施工狀態(tài)時(shí)的橫向振動(dòng)和豎向振動(dòng)的K值均小于10，即未超過(guò)人員在短時(shí)間內(nèi)能承受的容許值,因此該橋風(fēng)致抖振響應(yīng)下施工人員的安全性和舒適性良好。

6結(jié)論

開(kāi)展了西部山區(qū)地形風(fēng)環(huán)境數(shù)值模擬，在西部山區(qū)脈動(dòng)風(fēng)的影響較大，它是引起橋梁抖振的重要原因。分析和比較了施工階段的橋梁動(dòng)力特性，11號(hào)主墩最大懸臂施工狀態(tài)橋墩縱向彎曲和橋墩側(cè)彎是主要控制振型，12號(hào)主墩最大懸臂施工狀態(tài)主梁?jiǎn)畏鶄?cè)彎、橋墩單幅縱橋向彎曲和橋墩單幅側(cè)彎是主要控制振型。各主墩最大懸臂施工狀態(tài)時(shí)的橫向振動(dòng)和豎向振動(dòng)的K值均小于10，即未超過(guò)人員在短時(shí)間內(nèi)能承受的容許值，因此該橋風(fēng)致抖振響應(yīng)下施工人員的安全性和舒適性良好。

收稿日期：2015-09-01

DOI10.3963/j.issn.1671-7570.2015.05.002