鋼桁架拱橋施工階段風荷載計算及穩定性分析

姜 敏

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 前 言

隨著我國交通網路系統的完善，橋梁跨度不斷增長，橋梁的柔度逐漸增大，橋梁逐漸成為風致振動敏感結構。橋梁施工階段與成橋狀態相比較時，由于施工階段結構的最終體系尚未形成，結構的柔度較大，尤其是在主梁架設初期，結構的抗風穩定性與成橋狀態相比較差，風作用對橋梁施工階段的影響更為突出，因此對橋梁施工階段進行抗風穩定性分析很有必要。抗風穩定性校核計算有靜力校核計算和動力校核計算之分，靜力校核計算是以一定的設計風速為依據來計算作用于橋梁結構上的風荷載，按照靜力學的校核計算方法來驗算結構在該風速作用下是否安全。對于大跨度鋼桁拱橋而言，這就要求我們準確掌握多榀桁架梁的風荷載計算方法，本文針對大跨度三榀桁架橋的風荷載進行了研究。

2 工程概況

本文以廣州市南沙區在建明珠灣大跨度連續鋼桁架拱橋為依托，確定相關規范關于風荷載參數的計算方法。其主橋采用(96+164+436+164+96+60)m中承式六跨連續鋼桁拱橋，全長1 016 m。據當地2004～2017年風向、風速資料統計，該地區春、東兩季以N、NNE、NE風向為主；夏、秋兩季以S風向為主，歷年最大風速26 m/s。本區為臺風影響區，臺風一般發生在6～10月，年均受影響的次數2.85次，最大風力在9級以上。由于工程建設需要，施工期不能避開臺風期。故施工階段的抗風評估及抗風措施將直接影響施工的安全與質量。

此橋主梁為三主桁連續鋼桁拱橋結構，桁間距18.1 m，邊桁桁高10.369 m，中桁桁高10.685 m，邊桁拱頂至中墩支點高度為109 m，拱肋下弦線形采用二次拋物線，其矢高98 m，矢跨比為1/4.45。橋型布置圖見圖1，橫斷面布置見圖2。

圖1 橋型布置圖

圖2 橫斷面圖/mm

以主梁一節段為例，按規范要求計算其風荷載取值。全橋基本節間距為 12 m，在主墩頂拱腳處部分區段采用 14 m節間。主桁桿件高度為1.2 m，桿件最大板厚52 mm，腹桿截面最大高度為1.2 m，內寬1 m，最大板厚為56 mm。12 m節間桁架凈面積A1=(1.2+0.052)×12×2+(1+0.056)×10.685+1×(10.6852+122)0.5=57.4 m2；12 m節間桁架輪廓面積A2=(1.2+0.052+10.685)×12=143.2 m2。實面積比=桁架凈面積/桁架輪廓面積=A1/A2=0.4，間距比=兩桁架中心距/迎風桁架高度=18.1/10.685=1.69。由于此橋位于開闊水面，故地表類別為A類。

3 風荷載標準值計算

3.1 按《公路橋梁抗風設計規范》計算

根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG∕T 3360-01-2018)可知，由實面積比與間距比可得桁架遮擋系數η=0.635，上部結構為兩片或兩片以上桁架時，每片桁架的橫向力系數均取為ηCH。

根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG∕T 3360-01-2018)，風荷載計算如下：

橋梁或構件基準高度Z處的設計基準風速

Usd=ksfkfktkhU10=0.88×1.05×1×1.37×37.6=47.6 m/s

(1)

式中：Ud為橋梁或構件基準高度Z處的設計基準風速，m/s；ksf為施工階段抗風風險系數；kf為抗風風險系數；kt為地形條件系數；kh為地表類別轉換及風速高度修正系數。

等效靜陣風風速

Ug=GvUd=1.22×47.6=59 m/s

(2)

式中：Gv為等效靜陣風系數。

橫橋向風作用下主梁每片桁架單位長度上的順風向等效靜陣風荷載：

Fg=1/2ρUg2ηCHD=1/2×1.25×592×0.635×1×0.4×10.685=5 904.6 N/m

(3)

式中：Fg為作用在主梁單位長度上的順風向等效靜陣風荷載，N/m；ρ為空氣密度， kg/m3，可取為1.25 kg/m3；Ug為等效靜陣風風速，m/s；CH為主梁橫向力系數；D為主梁特征高度，m。

3.2 按《建筑結構荷載規范》計算

計算主要受力結構時，風荷載標準值

wk=βzμsμzw0

(4)

式中：βz為高度z處的風振系數；μs為風荷載體型系數；μz為風壓高度變化系數；w0為基本風壓，KN/m2，w0=1/2ρv02=1/2×1.25×10-3×37.62=0.883 6 KN/m2v0為基本風速；ρ為空氣密度。

根據《建筑結構荷載規范》8.4.1條可知對于高度大于30 m且高寬比大于1.5倍的房屋，以及基本自振周期T1大于0.25 s的各種高聳結構，應考慮風壓脈動對結構產生風向風振的影響。對于此橋可不考慮脈動風振作用，故高度z處的風振系數βz=1。

根據表8.2.1可得地面粗糙度A類，離地面或海平面高度為36 m，風壓高度變化系數為1.742。

對于n片型式相同且彼此等間隔的等高結構，應考慮多片結構的重疊擋風折減作用。根據表8.3.1可得：n榀平行桁架的整體體型系數μstw=μst(1-ηn)/(1-η)，式中μst為單榀桁架的體型系數，μst=φμs。μs為桁架構件的體型系數，φ=An/A為桁架的擋風系數，An為擋風凈投影面積，A為桁架的輪廓面積。

三榀平行桁架的風荷載體型系數μstw=μst(1-η3)/(1-η)=0.4×1.3×(1-0.5693)/(1-0.569)=0.984。

故按《建筑結構荷載規范》可得三片主桁整體風荷載標準值wk=βzμsμzw0=1×0.984×1.742×0.883 6=1.515 KN/m2。

根據《建筑結構荷載規范》可得風荷載作用在三片桁架單位長度上的順風向風荷載F=wkA2/12=1.515×143.2/12=18.079 KN/m。

3.3 風荷載標準值計算結果差異分析

從上述兩種不同規范關于風荷載的計算結果可知，風荷載標準值“公路橋梁抗風設計規范”/“建筑結構荷載規范”=3×5.9/18.079=0.98，其中《公路橋梁抗風設計規范》考慮了抗風風險系數ksf=0.88及kf=1.05；若不考慮，風荷載標準值“公路橋梁抗風設計規范”/“建筑結構荷載規范”=3×5.9/(0.88×1.05)/18.079=1.06。兩種規范的計算結果相差不大。兩種規范計算過程中具體參數差異詳見表1。

表1 計算參數類比

4 施工階段的穩定性分析

采用MIDAS Civil2019有限元分析軟件對在建明珠灣大跨度連續鋼桁架拱橋進行施工過程分析，采用梁單元和桁架單元建立三維模型，節點共4 455個，單元共11 148個。施工階段整體有限元模型見圖3。

圖3 明珠灣大橋有限元模型

橋梁的靜態失穩可以分為兩種形式：橫向屈曲和靜態扭轉發散。通常指橋梁結構在一定風速作用下，產生彎曲或扭轉變形，一方面橋梁結構的變形會改變其剛度，另一方面會影響風場分布，從而改變風的大小和方向，反過來它進一步增大了結構的變形，最終導致結構失穩的現象。

本文為施工階段分析，考慮的荷載為結構自重、施工荷載(吊機、壓重等)及風荷載。其中風荷載取值采用《公路橋梁抗風設計規范》計算值。通過分析，隨著施工過程中主梁跨度的增大，結構整體柔度逐漸增大，故橋梁結構最大單懸臂狀態的靜風穩定性最差，跨中合攏前大懸臂狀態為控制工況。在MIDAS Civil的屈曲分析中，提取組合工況下穩定安全系數，對失穩模型進行分析。

圖4 小里程側橋塔扭轉整體屈曲

圖5 小里程側側向整體屈曲

由計算結果可知，在組合荷載工況下，此橋三主桁鋼桁梁的整體彈性穩定安全系數值最小為11.5，滿足《公路斜拉橋設計規范》(試行)(JTJ027-96)中規定的結構穩定安全系數應大于4的要求。

5 結 語

(1)《公路橋梁抗風設計規范》采用的基本風速U10為重現期100年的風速數學期望值，而《建筑結構荷載規范》采用的是重現期50年的風壓值，“建筑結構荷載規范”規定對于高層建筑、高聳結構及對風荷載比較敏感的其他結構，基本風壓的取值應適當提高。

(2)對于鋼桁架橋風荷載標準值而言，上述兩種規范風荷載的計算結果相差2%～6%，結果基本吻合。

(3)對于自振周期較大、跨徑較大或者對風荷載敏感的結構，應考慮脈動風荷載的影響。橋梁結構建議參考《公路橋梁抗風設計規范》根據地表類別和風荷載水平加載長度考慮陣風系數的影響。

(4)通過模型計算的明珠灣鋼桁梁最大單懸臂狀態抗風整體穩定性雖滿足規范要求，但由于風本身的復雜性使得結構的風致振動是一個復雜的變化過程，關系到施工過程中結構的抗風安全問題。故施工過程中可采取一定的抗風措施來保證施工過程的安全，建議措施有以下幾種。

在最大單懸臂階段為防止發生圍繞橋塔平面外的水平擺動以及平面內的豎向振動，建議懸臂施工應避免強風季節，盡快完成邊跨合龍，必要時可設置臨時墩來縮短懸臂長度；在最大單懸臂階段，強風作用下主梁的平面外和平面內抖振產生的慣性力較大，根據實際情況，必要時可設置阻尼器及臨時風纜來抑制振動。

若施工過程中斜拉索有足夠大的阻尼，便不會發生尾流馳振和風雨共振。因此，提高阻尼可在斜拉索與主梁交接處附近安裝油壓阻尼器或粘性剪切型阻尼器來降低尾流馳振和風雨共振產生的不利影響。