楊承海，祁永利

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074)

橋梁工程

大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)的等效靜陣風荷載分析

楊承海，祁永利

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300074)

處于多風地區(qū)的大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)，風荷載是橋梁設(shè)計時必須考慮的因素，但采用隨機振動理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，計算過程往往比較復雜。利用等效靜陣風荷載計算了結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng)，為橋梁的設(shè)計提供依據(jù)，對同類工程具有一定的借鑒作用。

斜拉橋；等效靜陣風；荷載；響應(yīng)

1 概 述

斜拉橋結(jié)構(gòu)剛度隨著跨度的增大而減小，且塔高較大，橋塔和拉索通常處于大氣邊界層中風速變化大、湍流度高的近地區(qū)域，因此對風荷載十分敏感。風荷載是此類結(jié)構(gòu)設(shè)計時必須考慮的重要因素。利用等效靜陣風荷載來計算結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng)，是最簡單有效的方法。

某大跨徑斜拉橋位于鄂爾多斯地區(qū)，是一座超寬橋面卵形斜塔組合梁特種斜拉橋。橋梁總長180 m，其中主跨長120 m，為鋼箱梁；附跨長60 m，為預應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)。主梁梁高為2.5 m。橋梁總寬51.6 m，屬于超寬橋面斜拉橋范疇。斜拉索采用整束擠壓的環(huán)氧噴涂鋼絞線，外包PE進行防護，采用雙索面扇形布置。

針對該橋成橋狀態(tài)進行了不同風偏角下的等效靜陣風荷載分析，最后得出結(jié)構(gòu)成橋狀態(tài)靜陣風荷載響應(yīng)，為橋梁設(shè)計提供依據(jù)。

2 基本參數(shù)的確定及計算工況

2.1 設(shè)計基本風速

根據(jù)《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)，該地區(qū)的基本風速，即離地面(水面)10 m高度處10 min平均年最大風速為Vs10=33.7 m/s。

2.2 設(shè)計基準風速

根據(jù)《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》中的規(guī)定和該地區(qū)氣象局風速、風向統(tǒng)計資料分析，設(shè)計基準風速確定如式(1)

(1)

式中：Z表示離開水面的高度；Z10表示標準高度，即Z10=10 m；Vs10表示橋址處的設(shè)計基本風速；α表示地表粗糙度系數(shù)，取α=0.16。橋面高度處設(shè)計基準風速為Vd=36.3 m/s。

2.3 靜陣風風速

Vg=GvVd

(2)

式中：Gv表示陣風風速系數(shù)，與水平加載長度和地表類別有關(guān)，成橋狀態(tài)取為Gv=1.31；Vd表示不同高度處的設(shè)計基準風速；成橋狀態(tài)橋面高度靜陣風風速為Vd=47.6 m/s。

斜拉索和主塔根據(jù)各加載點離水面的高度計算各加載點的相應(yīng)風速。

2.4 阻力系數(shù)

根據(jù)《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)，斜拉橋的斜拉索的阻力系數(shù)取為0.8。主梁的三分力系數(shù)取0°攻角進行風荷載計算。根據(jù)試驗結(jié)果，在0°風攻角成橋狀態(tài)體軸下的氣動阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)為0.740 8、-0.089 7和0.012 6。

2.5 計算工況

在進行斜風作用下結(jié)構(gòu)的風荷載響應(yīng)分析時，根據(jù)橋塔阻力系數(shù)的CFD計算結(jié)果，選取β=0°和β=90°作為計算風偏角，如圖1所示。

圖1 風偏角示意圖(為風偏角)

3 計算截面確定

選擇如圖2所示計算斷面作為風荷載響應(yīng)控制斷面，針對每一計算工況分別給出對應(yīng)各計算斷面的風荷載響應(yīng)。各關(guān)鍵斷面的坐標見表1，其中X是沿順橋向的坐標軸；Y是沿豎向的坐標軸；Z是沿橫橋向的坐標軸。

圖2 成橋狀態(tài)計算截面位置及節(jié)點示意圖

響應(yīng)編號截面點坐標X/mY/mZ/m截面點位置內(nèi)力1-60.0-0.340.0主梁左端20.0-0.040.0塔梁交接處主梁截面3120.00.560.0主梁右端40.0-13.8289.0橋塔處外側(cè)主墩墩底50.0-13.828-9.0橋塔處內(nèi)側(cè)主墩墩底位移6-30.0-0.190.0左邊邊跨(60m)跨中761.00.2650.0右邊主跨(120m)跨中8-17.34164.7170.0主塔塔頂

4 風荷載計算

4.1 主梁風荷載計算

主梁在斜風作用下，將風速分解為順橋向和垂直于橋向兩個方向的風速，計算對應(yīng)順橋向和橫橋向風荷載，同時作用到有限元模型上。

(1)順橋向風速部分，風荷載計算如式(3)

(3)

(2)橫橋向風速部分，風荷載計算如式(4)

橫向力：

(4)

豎向力：

(5)

力矩：

(6)

式中：V10為橋位10m高度處100年重現(xiàn)期基本風速，33.7m/s；α為地表粗糙度指數(shù)，α=0.16；Cf為摩擦系數(shù)，Cf=0.02；s為主梁周長，為105m；CD為主梁阻力系數(shù)，CD=0.740 8；CL為主梁升力系數(shù)，CL=-0.089 7；CM為主梁升力矩系數(shù)，CM=0.012 6；H為主梁梁高，H=2.5m；B為主梁梁寬，B=51.6m；GVA為順橋向等效靜陣風系數(shù)，GVA=1.31；GVT為橫橋向等效靜陣風系數(shù)，GVT=1.31。

4.2 橋塔風荷載計算

(1) 順橋向風速部分，風荷載計算如式(7)

·cos(β)·CDX·Bpylon

(7)

(2) 橫橋向風速部分，風荷載計算如式(8)

·cos(β)·CDZ·Bpylon

(8)

式中：V10為橋位10m高度處100年重現(xiàn)期基本風速，為33.7m/s；α為地表粗糙度指數(shù)，α=0.16；CDX為橋塔順橋向阻力系數(shù)； CDZ為橋塔橫橋向阻力系數(shù)；Bpylon為橋塔單元橫風向?qū)挾?；GVA為順橋向等效靜陣風系數(shù)，GVA=1.31；GVT為橫橋向等效靜陣風系數(shù)，GVT=1.31。

以上得出的是有限元模型中每個橋塔單元上作用的均布力靜陣風荷載。

4.3 斜拉索風荷載計算

斜拉索在斜風作用下，將風速分解為順橋向和垂直于橋向兩個方向的風速，然后分別計算對應(yīng)順橋向和橫橋向的風荷載，同時作用到計算模型。

(1)順橋向風速部分，風荷載計算如式(9)

·sin(β)·CD·HP·D

(9)

(2)橫橋向風速部分，風荷載計算如式(10)

·cos(β)·CD·HP·D

(10)

式中：V10為橋位10m高度處100年重現(xiàn)期基本風速，V10=33.7m/s；α為地表粗糙度指數(shù)，α=0.16；CDX為斜拉索的順橋向阻力系數(shù)；CDZ為斜拉索的橫橋向阻力系數(shù)；β為對應(yīng)風偏角；Hp為斜拉索單元的投影高度；D為斜拉索的直徑；GVA為順橋向等效靜陣風系數(shù)，GVA=1.31；GVT為橫橋向等效靜陣風系數(shù)，GVT=1.31。

斜拉索的順橋向阻力系數(shù)以及橫橋向阻力系數(shù)按《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》取值，都取0.8。

4.4 等效靜陣風荷載響應(yīng)(含自重)

本部分針對成橋狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進行了靜陣風荷載響應(yīng)。不同構(gòu)件單元坐標系中單元坐標軸在整體坐標系下的方向見表2，對應(yīng)的各計算工況的風荷載響應(yīng)結(jié)果見表3和表4。

表2 各個構(gòu)件單元坐標軸在整體坐標系下的方向

主要構(gòu)件XYZ主梁順橋向豎向橫橋向橋塔豎向順橋向橫橋向

表3 成橋狀態(tài)風荷載響應(yīng)結(jié)果(風偏角β=0°)

表4 成橋狀態(tài)風荷載響應(yīng)結(jié)果(風偏角β=90°)

續(xù)表4

5 結(jié) 論

該橋已于2011年6月建成通車，抗風效果良好。大跨度斜拉橋結(jié)構(gòu)由于其結(jié)構(gòu)的特殊性，往往對風荷載十分敏感。然而采用隨機振動理論進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，往往比較復雜。利用等效靜陣風荷載計算了結(jié)構(gòu)在風荷載作用下的響應(yīng)，為橋梁的設(shè)計提供了依據(jù)，對同類工程具有一定的借鑒意義。

[1] 向海帆.現(xiàn)代橋梁抗風理論與實踐[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2] 中華人民共和國交通部.公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范(JTG/T D60-1-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.

2016-05-18

楊承海(1983-)，男，山西陽泉人，工程師，從事橋梁設(shè)計與研究。

U442

C

1008-3383(2017)03-0101-03