赫章特大橋施工最大懸臂狀態風致抖振響應分析*

楊鴻波

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司　貴陽　550081)

赫章特大橋施工最大懸臂狀態風致抖振響應分析*

楊鴻波

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司貴陽550081)

摘要文中以赫章特大橋為研究對象，進行了最大懸臂狀態風致抖振響應分析。對橋址區風環境進行數值模擬，在此基礎上開展最大懸臂施工階段的風致抖振響應分析，獲得了結構內力、位移響應規律。采用Diekemann舒適度指標對該橋施工人員的安全性和舒適性進行預評。分析結果表明，施工最大懸臂狀態在抖振作用下的Diekemann舒適度指標值較小，對施工人員安全性、舒適性影響不大。

關鍵詞連續剛構橋最大懸臂施工狀態抖振響應Diekemann 指標

隨著連續剛構橋墩高和跨度的不斷增加，結構趨于輕柔化和長細化，風致振動問題更為顯著。尤其風致抖振問題在大跨度連續剛構橋施工過程需要重點關注[1]。同時，高墩大跨連續剛構橋懸臂施工合龍前結構體系尚未形成，使得風致抖振問題更為突出，因而風致振動響應就成為橋梁設計、施工人員十分關心的問題[2]。本文以赫章特大橋為背景工程，首先開展大橋周圍風環境數值模擬，基于隨機抖振分析理論，利用諧波合成法模擬脈動風場，建立抖振力風荷載模型，采用有限元對該橋進行了脈動風場的抖振分析,并利用抖振分析結果對該橋施工人員的安全性和舒適性進行了評估。

1工程背景

赫章特大橋為貴州畢威高速公路赫章段的一座跨河特大橋。主橋上部結構為96 m+2×180 m+96 m預應力混凝土連續剛構橋。橋梁下部結構主墩為薄壁墩空心墩，11號主墩高達195 m，為預應力連續剛構世界第一高墩。構造示意圖見圖1、圖2。

圖1　赫章特大橋總體布置圖(單位：cm)

圖2　11號主墩構造圖(單位：cm)

2西部山區風環境數值模擬

在平原和沿海地區, 其橋位處的風特性大多屬于A類或B類地貌。對于這2類地貌的風環境特性,我國的橋梁抗風設計規范已經給出了相應的平均風剖面與湍流特性參數，抗風計算或風洞試驗時可以直接采用。但對位于地形復雜的山區橋梁，橋址處風場復雜，目前國內外橋梁風工程界的相關研究非常少，我國抗風設計規范中也沒有明確處理方法，峽谷和山口因兩側山高，氣流受阻, 在峽谷、山口處形成高風速區, 通常風速增大10%～20%，相應地風壓增大20%～40%，因此對赫章特大橋橋址處進行了風特性數值模擬。

模擬中在橋位上設置14個風速監測點，所有的風速監測點通過與設置在地面附近的氣象站風速觀測點進行風速大小對比來標定橋位處的風速分布。風速測點對應分別為橋面上各個橋墩位置及主跨的跨中位置分別對應的1～7測點，11號主墩的3個測點(橋墩1/4，1/2，3/4高度處)及旁邊4個橋墩中間位置處布置的4個測點，監測點布置見圖 3。為了進一步獲得場地地形類別參數，將橋位處不同高度處的修正系數與橋位10 m高度的修正系數(數值計算為0.78)相比，建立橋位風速修正系數關系圖，見圖4，擬合結果顯示α=0.21最接近分析結果，由此可見橋位場地類別接近C類場地。

圖3　橋位風速監測點布置圖

圖4　風場指數擬合結果

3脈動風場模擬

脈動風場的數字模擬是時域抖振分析的前提[3]。本研究采用FFT技術對隨機過程進行了模擬，從而獲得各質點處的脈動風速時程。施工階段設計基準風速為33.2 m/s。11號主墩主梁分為12塊，編號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、12號主墩主梁分為12塊，橋墩分為4塊，編號方式各墩相同。分塊后，所得的風速塊區域中心點離地面高度見圖5。經FFT模擬計算，11號主墩1號塊和12號主墩的脈動風速-時程曲線見圖6。

a)　11號主墩

b)　12號主墩

a)　11號主墩

b)　12號主墩

4施工最大懸臂狀態動力特性分析

采用ANSYS建立主墩最大懸臂施工階段下有限元模型，對該模型進行結構動力特性分析。其中主梁與墩柱采用三維空間梁單元模擬，整個橋梁的上部結構在承臺處固結。由表1可見，在11號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，說明前兩階振型對結構振動起主要控制作用。12號主墩施工最大懸臂狀態前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，說明前3階振型對結構振動起主要控制作用。

表1　主墩施工最大懸臂狀態動力特性分析表

5結構抖振響應分析

將風速時程轉化為抖振力時程，施加在相應的節點上，進行瞬態分析，分析采用時間步長為0.01 s，結構阻尼比為0.02。作用在結構上的抖振力可以按照下式計算：抖振響應分析中結構受到的風荷載包括靜風力、抖振力。由于混凝土連續剛構橋剛度較大，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風速時程，計算得到11號主墩和12號主墩主梁上迎風側懸臂端節點位移，其時程曲線見圖7。

a)　11號主墩

b)　12號主墩

5.1　結構抖振響應結果分析

最大懸臂施工階段抖振響應分析分別取11號主墩和12號主墩結果為參考對象，在脈動風作用下，11號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，關鍵點位移響應見表2。

表2　關鍵點位移響應　cm

5.2　施工人員安全性和舒適性評價

橋梁振動會對人體產生心理和生理效應。風引起的橋梁抖振會引起施工人員的不舒適和不安

全感。人對諧振的感覺和反應通常可用Diekmann 指標K值來衡量，其評定標準見表 3和表 4。

表3　Diekemann 指標K計算公式

表4　Diekemann 指標K評定標準

盡管抖振響應不是一個單一頻率的諧振, 但由于橫向振動和豎向振動均由一種模態起控制作用，故仍可以當作單一頻率的諧振來對待。該橋最大懸臂施工階段橫向、豎向自振頻率值及Diekmann指標值見表5和表6。

表5　11號主墩最大懸臂施工狀態K值

表6　12號主墩最大懸臂施工狀態K值

結果表明，各主墩最大懸臂施工狀態時的橫向振動和豎向振動的K值均小于10，即未超過人員在短時間內能承受的容許值,因此該橋風致抖振響應下施工人員的安全性和舒適性良好。

6結論

開展了西部山區地形風環境數值模擬，在西部山區脈動風的影響較大，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力特性，11號主墩最大懸臂施工狀態橋墩縱向彎曲和橋墩側彎是主要控制振型，12號主墩最大懸臂施工狀態主梁單幅側彎、橋墩單幅縱橋向彎曲和橋墩單幅側彎是主要控制振型。各主墩最大懸臂施工狀態時的橫向振動和豎向振動的K值均小于10，即未超過人員在短時間內能承受的容許值，因此該橋風致抖振響應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