神農(nóng)溪特大橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)與施工

任 蒙 易 蓓

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

神農(nóng)溪特大橋抗風(fēng)設(shè)計(jì)與施工

任 蒙 易 蓓

(中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056)

介紹了神農(nóng)溪特大橋的工程概況，通過(guò)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性、顫振穩(wěn)定性及風(fēng)荷載響應(yīng)分析，對(duì)該大橋進(jìn)行了抗風(fēng)設(shè)計(jì)，并采用風(fēng)洞試驗(yàn)，驗(yàn)證了橋梁的風(fēng)振穩(wěn)定性，保證了施工的順利進(jìn)行。

斜拉橋，懸臂，抗風(fēng)設(shè)計(jì)，風(fēng)荷載，穩(wěn)定性

1 工程概況

神農(nóng)溪特大橋?yàn)楹笔∫瞬涟蜄|高速公路跨越神農(nóng)溪“U”形峽谷而設(shè)置的一座特大橋，是一個(gè)跨越深切峽谷復(fù)雜地形的特殊工程。橋跨布置[(4×30)+(80+150+80)+(140+320+140)+(2×30)]m，設(shè)計(jì)速度為80 km/h，雙向四車道，標(biāo)準(zhǔn)斷面寬24.5 m。橋址位于巴東山區(qū)，基本烈度為6度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.05g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組。

神農(nóng)溪為長(zhǎng)江北岸的一級(jí)支流，為著名風(fēng)景區(qū)，為保持風(fēng)景區(qū)原貌，主橋采用雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋一跨過(guò)溪，橋址所在地區(qū)為單斜地質(zhì)構(gòu)造區(qū)，覆蓋層較薄，橋址基巖由白云質(zhì)灰?guī)r、灰?guī)r、鹽溶角礫狀灰?guī)r組成，地質(zhì)情況較好(見(jiàn)圖1)。

主梁采用C55混凝土，P—K斷面預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，頂面寬27.1 m，梁高3 m，節(jié)段長(zhǎng)度有8 m,5 m兩種。橫梁為預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，厚0.3 m；間距與加勁梁節(jié)段長(zhǎng)度、斜拉索索距相對(duì)應(yīng)。

“寶石”型空間索塔橋面以上塔高約80 m，橋塔總高約191.8(195.8)m；塔墩基礎(chǔ)由18根3.0 m的嵌巖端承樁組成。每個(gè)主塔布置19對(duì)斜拉索，斜拉索由1 670 MPa鍍鋅平行鋼絲，PE護(hù)套組成；采用機(jī)械阻尼器和PE護(hù)套表面壓制凹坑的氣動(dòng)減振措施來(lái)抑制風(fēng)雨激振。神農(nóng)溪特大橋加勁梁標(biāo)準(zhǔn)橫斷面見(jiàn)圖2。

神農(nóng)溪斜拉橋采用全漂浮體系，主梁過(guò)渡墩處采用縱向滑動(dòng)，橫向約束的球鋼支座；塔梁交界處豎向支承采用0號(hào)斜拉索，橫向約束采用板式橡膠支座及橫向限位塊，縱向采用限位塊約束大位移。縱向全漂浮體系，屬于長(zhǎng)周期結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)抗震有利；縱向限位塊約束了罕遇地震下的梁體位移，能夠確保罕遇地震(E2地震)作用下，橋梁僅限位塊發(fā)生輕微損傷，梁體本身不經(jīng)修復(fù)或經(jīng)簡(jiǎn)單修復(fù)即可正常使用。神農(nóng)溪特大橋跨越“U”形峽谷，風(fēng)剖面和湍流特征不同于平原地區(qū)；目前針對(duì)山區(qū)峽谷風(fēng)的研究偏少，因此本橋的抗風(fēng)設(shè)計(jì)非常重要。主橋采用P—K斷面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，寶石型橋塔，空間索面，結(jié)構(gòu)抗扭剛度較高，抗風(fēng)性能有利。大橋采用雙懸臂澆筑施工，施工中最大懸臂狀態(tài)為159 m(中跨側(cè))。斜拉橋施工中的最大懸臂階段，是斜拉橋受力最不利階段之一；考慮施工過(guò)程中斜拉橋最大懸臂階段的主梁風(fēng)振穩(wěn)定性；在邊跨距橋塔中心線94 m處設(shè)置了施工用的臨時(shí)墩，提高了施工中的穩(wěn)定性(見(jiàn)圖3)。

實(shí)際施工中，為加快施工進(jìn)度，減少施工投入，考慮取消臨時(shí)墩。為保證施工過(guò)程中橋梁風(fēng)振穩(wěn)定性，大橋通過(guò)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了抗風(fēng)專項(xiàng)研究，確保大橋順利施工。

2 抗風(fēng)設(shè)計(jì)與風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 設(shè)計(jì)風(fēng)速

如果將山區(qū)海拔絕對(duì)高度轉(zhuǎn)化為高度坐標(biāo)，根據(jù)風(fēng)剖面公式，得出的風(fēng)速遠(yuǎn)大于沿海地區(qū)臺(tái)風(fēng)風(fēng)速，明顯是不合適的。山區(qū)氣象站調(diào)研資料顯示：風(fēng)速隨海拔高度線性增大；海拔高度每增加1 000 m，基本風(fēng)速增加1.0 m/s，不能按照風(fēng)剖面高度換算的方法推算風(fēng)速[2]。神農(nóng)溪特大橋附近供參照的四個(gè)氣象站100年重 現(xiàn)期10 m高度的年平均最大風(fēng)速平均為24.8 m/s[2]；大橋橋位附近山體的平均海拔約450 m，與四個(gè)氣象站平均海拔高度408 m一致，則橋址處基本風(fēng)速為24.8 m/s。神農(nóng)溪特大橋處于周圍群峰形成的冠層內(nèi)，偏保守不考慮地形修正因子，則大橋橋面處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為24.8 m/s；施工階段10年重現(xiàn)期的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為20.8 m/s。參考類似峽谷風(fēng)場(chǎng)地實(shí)測(cè)氣象資料，陣風(fēng)風(fēng)速系數(shù)GV取1.9。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析結(jié)果顯示：最大雙懸臂狀態(tài)是否設(shè)置臨時(shí)墩對(duì)主梁扭彎頻率影響不大，對(duì)主梁扭轉(zhuǎn)頻率影響4%～7%，對(duì)主梁豎向彎曲頻率影響19%～25%；對(duì)主梁翹翹板運(yùn)動(dòng)狀的剛體轉(zhuǎn)動(dòng)影響最大，達(dá)70%。

2.3 顫振穩(wěn)定性分析

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，100年重現(xiàn)期成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為40.7 m/s,施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為34.1 m/s。

采用主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)定主梁顫振臨界風(fēng)速。直接法顫振試驗(yàn)結(jié)果表明：成橋狀態(tài)，相當(dāng)于實(shí)橋風(fēng)速156 m/s以上未觀察到顫振；最大雙懸臂狀態(tài)(未設(shè)置臨時(shí)墩)，相當(dāng)于實(shí)橋風(fēng)速188 m/s以上未觀察到顫振發(fā)散現(xiàn)象。基于節(jié)段模型所測(cè)得的加勁梁斷面氣動(dòng)參數(shù)，應(yīng)用耦合顫振的多模態(tài)顫振分析方法，分析得出：成橋狀態(tài)、最大雙懸臂狀態(tài)、最大單懸臂狀態(tài)，顫振臨界風(fēng)速均不低于150 m/s。風(fēng)洞試驗(yàn)和試驗(yàn)分析均證明：大橋無(wú)論在成橋狀態(tài)，還是施工階段最大懸臂狀態(tài)下不設(shè)置臨時(shí)墩的顫振臨界風(fēng)速均遠(yuǎn)高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，滿足顫振穩(wěn)定性要求。

2.4 風(fēng)荷載響應(yīng)分析

用于橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的總風(fēng)荷載響應(yīng)應(yīng)為由平均風(fēng)引起的靜風(fēng)荷載響應(yīng)和由脈動(dòng)風(fēng)引起的抖振響應(yīng)峰值的不利組合。對(duì)于施工階段雙懸臂狀態(tài)，按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]，需要考慮對(duì)稱和不對(duì)稱兩種靜風(fēng)荷載情況，取兩種加載結(jié)果的較大值。

加勁梁斷面三分力系數(shù)是風(fēng)荷載響應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)，主梁節(jié)段模型風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)測(cè)得的三分力系數(shù)為：最大雙懸臂不設(shè)置臨時(shí)墩狀態(tài)下，0°風(fēng)攻角作用下，橫向風(fēng)動(dòng)力系數(shù)為0.752 3，豎向氣動(dòng)力系數(shù)為-0.231 68，氣動(dòng)俯仰彎矩系數(shù)為0.045 22。

風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)振模型與測(cè)力模型見(jiàn)圖4。

計(jì)算表明：施工最大雙懸臂狀態(tài)不設(shè)置臨時(shí)墩時(shí)總風(fēng)荷載位移極大值：中跨主梁端部豎向位移為0.678 m，側(cè)向?yàn)?.064 m；邊跨合龍后，施工最大單懸臂狀態(tài)總風(fēng)荷載位移極大值：中跨主梁端部豎向位移為0.124 m，側(cè)向?yàn)?.031 m；位移均處于容許范圍內(nèi)，同時(shí)內(nèi)力驗(yàn)算表明截面承載力滿足要求。

2.5 小結(jié)

綜上所述，施工中取消臨時(shí)墩的情況下，施工過(guò)程中斜拉橋不會(huì)發(fā)生顫振失穩(wěn)、結(jié)構(gòu)承載力和位移處于容許范圍內(nèi)；同時(shí)結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定系數(shù)大于4.0。為加快施工進(jìn)度，施工中取消了臨時(shí)墩，施工順利完成。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)與抗風(fēng)研究，確保了神農(nóng)溪特大橋在懸臂澆筑施工中不設(shè)置臨時(shí)墩的情況下，顫振穩(wěn)定性滿足要求；抖振力作用下結(jié)構(gòu)位移、受力均在允許范圍內(nèi)。最終神農(nóng)溪特大橋在施工過(guò)程中取消了臨時(shí)墩，加快了施工進(jìn)度，減少了施工投入，可供類似山區(qū)斜拉橋借鑒。

[1] 中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司.宜巴高速神農(nóng)溪特大橋施工圖設(shè)計(jì)文件[Z].

[2] 湖北省宜巴高速公路神農(nóng)溪特大橋抗風(fēng)試驗(yàn)研究[Z].同濟(jì)大學(xué),2010.

[3] JTG/T D60—01—2004,公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[4] 嚴(yán)國(guó)敏.現(xiàn)代斜拉橋[M].成都：西南交通大學(xué)出版社,1996.

Abstract: The thesis introduces extra-large Shennongxi bridge engineering conditions. Through structural dynamic properties, flutter stability and wind load response analysis, it carries out wind-resistant design for the bridge, applies wind tunnel test, testifies the wind vibration stability of the bridge, and finally guarantees the construction smooth.

Key words: cable-stayed bridge, cantilever, wind-resistant design, wind load, stability

Wind-resistant design and construction of extra-large Shennongxi bridge

Ren Meng Yi Bei

(ChinaCommunication2ndHighwaySurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

2016-03-18

任 蒙(1984- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2016)15-0162-03

U442

A