高墩大跨連續剛構橋懸臂施工階段抗風安全性研究★

段瑞芳 柳穎臣 郝憲武

(1.陜西交通職業技術學院，陜西 西安 710018;2.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000;3.長安大學橋梁所，陜西 西安 710064)

在西部地區，高墩大跨連續剛構橋以其獨特的優越性，深得設計者們的喜愛。隨著經濟的高速發展，連續剛構的橋墩會逐漸增高，跨度逐漸增大。而這些橋梁多分布在山區溝谷地形、地貌特別復雜的地區。在這些地方的風環境因受到地形的影響，其風速、風向以及空間分布變得較為復雜。高墩大跨連續剛構橋的施工方式多采用懸臂澆筑的方式進行，在橋墩較高的情況下，懸臂施工過程中結構穩定性較差，對外界風荷載的作用反應較為敏感。結構在外界復雜的風荷載的作用下易發生較大振動響應，結構過大的振動會威脅到結構自身的安全以及在結構上工作人員的安全。對于高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋結構，針對其施工過程中展開抗風性能的研究，不僅具有較好的社會、經濟效益，同時對于提高我國高墩大跨度橋梁的發展有著十分重要的意義。

1 風對剛構懸臂的影響

對高墩大跨橋梁進行抗風設計，主要是為保障結構在施工階段以及成橋運營中可能承受的外界風荷載的作用下結構的安全。

本文實例工程跨徑為:(75+2×140+75)m。在《公路橋梁抗風設計規范》指出:根據多年的實踐經驗表明，對于跨徑小于150 m的公路橋梁，結構的剛度一般較大，風荷載引起的振動比較小，與靜風荷載相比，動力風荷載是次要的，采用短時距的陣風風速進行靜力抗風設計，已能夠滿足橋梁在風作用下的抗風設計要求，因而可不進行復雜的風致振動的分析和動力抗風分析。

1.1 結構自振特性分析

結構自振特性分析結果顯示:隨著主梁懸臂施工的進行，懸臂長度逐漸增大，這個過程中結構基頻呈現了逐漸減小的趨勢，自結構上部箱梁的第二號塊段施工到結構的最大懸臂階段，結構的基頻減小幅度達44.88%。同時，最大雙懸臂狀態的自振頻率為0.162 3。而結構在其成橋運營階段的自振頻率為0.351。后者由于“T”構連接形成一個整體，共同承擔外部的作用，此階段結構剛度比較大，其穩定性較好。而結構的最大雙懸臂階段，上部結構的長懸臂僅通過高墩與基礎相連，懸臂兩端沒有任何約束。說明最大高墩大跨連續剛構橋在其最大懸臂階段穩定性最差。

1.2 結構在最不利狀態的靜陣風作用內力分析

由上節的結構動力特性分析得知，在最大懸臂狀態結構的穩定性最差。本節針對依托工程，研究結構在靜陣風荷載作用下，分析結構的主梁懸臂根部以及主墩墩底兩個最不利截面的內力分布情況。1)主梁靜陣風荷載計算分析。對于高墩大跨連續剛構橋，最大懸臂狀態的穩定性最差。一般在橋梁的初步設計階段，進行于靜陣風荷載設計:主要驗算結構在最大風荷載作用下，可能產生的最大風載內力。在抗風設計規范［3］中指出:在橫橋向風作用下主梁單位長度上的橫向靜風荷載可按下式計算:橫向風荷載:結構風荷載的加載方法。為了能夠真實的反映出對高墩大跨預應力混凝土連續剛構橋的最大懸臂T構階段進行抗風設計分析，必須考慮風載可能發生的各種不利荷載的作用，依次對橋梁進行加載，以保證橋梁結構的安全。在進行懸臂施工的連續剛構橋，必須計算下列風荷載內力［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。為了能夠比較真實地反映風荷載作用下的高墩大跨連續剛構橋在其最大雙懸臂狀態的結構內力，根據相關規范，考慮多種最不利的情況進行加載。加載按表1中三種情況進行，各工況加載示意圖見圖1。

1.3 結構靜風荷載作用結果分析

利用有限元分析軟件Midas/civil 2010，對連續剛構橋在其最大懸臂施工階段進行靜陣風荷載作用模擬分析。

表1 加載方式

圖1 加載示意圖

1)結構撓度分析。在懸臂兩端對稱的陣風荷載工況一作用下，結構產生的最大橫向撓度為41.32 mm，豎向最大撓度為－27.80 mm，結構在橫橋向發生0.038°的轉角。工況二:結構產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)，結構在橫橋向發生0.041°的轉角。工況三:考慮到極端天氣的可能性，結構產生的最大橫向撓度為50.72 mm，豎向最大撓度為 －27.80 mm，結構繞橋墩向發生0.004°的扭轉。結構在各工況下的撓度見表2。

表2 靜風荷載作用下懸臂端位移 mm

表3 結構最大懸臂狀態下各工況作用下橋墩截面內力

表4 結構最大懸臂狀態下各工況作用下懸臂根部截面內力

2)結構內力分析。由表3，表4分析可知:結構的墩底截面在對稱的陣風荷載作用下產生較大的z向彎矩，結構的扭矩較小。在非對稱的陣風荷載作用下，在結構的主墩墩底截面產生較大的扭矩，對懸臂根部截面的扭矩影響不大。在考慮極端天氣的風場分布情況下，橋墩底部出現較大的扭矩。

對以上內力結果分析可知:在以上的幾種荷載工況作用下，結構的墩底處對各工況的作用比較敏感，而對主梁的影響較小。

3)結構應力分析。在以上三種不同的荷載工況作用下，懸臂根部的應力均為壓應力，沒有出現拉應力。通過比較:在以上三種工況作用下，懸臂根部截面的應力變化較小。滿足混凝土的施工要求，結構施工安全。

根據上述三個荷載工況作用下的結構內力分析:結構的剛度較大，靜陣風荷載對結構的影響較小，結構的位移以及截面的應力變化較小，結構的抗風性能良好。

2 結語

本文以跨徑為(75+2×140+75)m高墩大跨連續剛構橋為背景。首先，推算出依托工程的橋址處抗風設計風速;其次，在結構的最大雙懸臂階段，對靜陣風荷載作用下的結構的內力進行詳細的分析;最后，并采用簡化的動力荷載模擬分析結構在動力荷載作用下對結構上工作人員的舒適性做了討論。得出以下主要結論:在T型剛構施工過程中，隨著懸臂的伸長，結構的自振頻率逐漸降低，結構的剛度逐漸降低，柔性變大。故在施工到結構的最大雙懸臂時，是受力最不利的階段，應加以重視。

對于T型剛構的最大雙懸臂狀態，通過考慮不同的三種加載工況，對結構進行靜陣風分析，通過對結構的懸臂根部截面以及橋墩墩底截面的內力、位移和應力結果對比分析，在靜陣風荷載作用下，結構的橫向位移相對較大，而對豎向的位移影響很小。不同的加載方式對結構的內力影響比較大，故結構設計過程的內力計算需考慮風荷載的影響。

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