高墩連續剛構橋施工地形風致響應研究

董康康,閆亞光

（河北工程大學,河北 邯鄲 056000）

0 引言

高墩大跨連續剛構橋通常承擔著穿越山丘峽谷的作用，受自然風的影響比較明顯，可見對復雜地形下橋址風環境特性的研究不能忽視。橋梁懸臂施工過程中，主梁剛度較小。另外由于橋梁結構施工時采用懸臂澆筑法，當施工進行到雙懸臂端部都到達兩端頂部時，主橋結構剛度達到最小，主橋結構周圍受靜風和紊流作用的影響會產生不可忽視的抖振響應。抖振可能會引起主橋結構施工過程中的變形等問題，存在施工隱患，也會影響成橋質量[1]；在成橋階段，抖振會影響橋梁上的行車安全性以及行人舒適度，甚至會引起疲勞破壞，縮短橋梁使用壽命。因此了解結構的最不利位置的內力狀況，以便及時采取維護措施，保證施工安全，提高橋梁使用年限[2]。

1 基本理論

1.1 脈動風場模擬

截至目前，關于脈動風場模擬主要采用：諧波合成法（WAWS）[3]、該征正交法（POD）[4]、線性濾波法（AR或ARMA）[5]以及小波變換法[6]。其中諧波合成法可以對脈動風場進行高精度的模擬計算，運用諧波合成法對大橋主橋結構進行模擬計算。

水平脈動風速譜表達式為[7]：

豎直脈動風速譜表達式為：

式中，f——莫寧坐標；u*——表面摩阻速度；n——風的頻率；z——測點距地面的高度。

互譜矩陣[8]如下所示：

由于脈動風的空間相關性，則：

式中，Cn——n方向（n=x，y，z）的衰減因子；——i，j兩點在n方向上的距離。

1.2 節點抖振力計算

運用轉換公式將脈動風速樣本轉化為抖振力，抖振力轉換公式如下[9]：

式中，Lb、Db、Nb——抖振升力、阻力、扭矩；U，ρ——風速和空氣密度；u，w——水平與豎直脈動風速；αs——風攻角；B——主橋寬度；AD，AL——梁塊的側向和豎向投影面積；——對風攻角的導數。

2 主橋結構有限元模型研究

2.1 CFD數值模擬

運用Gambit軟件對各梁塊模型采用二維處理，將梁塊二維模型所在區域劃分并命名為梁塊模型模塊，采取0.4尺寸的非結構化網格對梁塊模型模塊區域進行網格劃分，如圖1所示。剩余計算域可采用尺寸1.5的較大網格尺寸[10]，如圖2所示。篇幅所限，以主梁跨中典型梁塊15#截面為例來進行網格劃分的說明。

圖1 梁塊模型模塊網格劃分

圖2 計算域整體網格劃分示意圖

在Fluent中運用變化的風攻角來模擬計算出不同梁塊截面的三分力系數，限于篇幅，列舉15#梁塊截面的靜力三分力系數值如表1所示。

表1 各風攻角下15#梁塊截面的靜力三分力系數

將三分力系數與風攻角進行函數擬合，并對其擬合函數進行一階求導。如下式所示。

2.2 脈動風場模擬

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）[11]規定，取當地十年重現期風速27.7 m/s進行計算。主梁設計基準高度z=80 m，風速沿高度變化的修正系數[12]k1B=1.0×（d/10）0.16=1.395。則主梁設計基準風速νd=k1B×ν10=38.64 m/s。風速時程取1 000 s，間隔為0.2 s，地表分類屬B類場地，粗糙度系數為0.16。在主橋結構上順橋向布置60個測點。限于篇幅，只列舉出主橋結構跨中15#梁塊截面的脈動風速時程，如圖3和圖4所示。

圖3 水平脈動風速時程

圖4 豎直脈動風速時程

以上部分計算出了主橋結構各梁塊的靜力三分力系數以及水平、豎直向的脈動風速時程，在此基礎上運用抖振力計算理論可以計算出抖振力時程，限于篇幅，這里不再敘述。最后在Midas軟件中將節點抖振力時程施加到主橋結構模型上。

2.3 抖振響應結果及分析

主橋結構典型部位的梁塊標號示意圖如圖5所示。表2和表3是主橋結構部分典型梁塊單元的抖振位移與內力峰值數據。

表2 典型梁塊單元的抖振位移峰值

表3 典型梁塊單元的抖振內力峰值

圖5 韓城河大橋重點單元位置

由表2可知，主橋結構31梁塊單元的DY與DZ是最大的，最大值分別為9.815 mm和0.913 mm，RX相對較小。主橋結構更易受橫橋向來風的影響，DY位移較大，DZ與RX均很小。31梁塊所受豎橋向剪力與扭矩作用都不大，但是DY偏大，這表明主橋跨中部位相對于其他位置更易受到抖振響應的影響。

由表3可知，主橋結構3單元梁塊的橫橋向剪力值最大，為285.9 kN；主橋結構的豎橋向剪力出現在39單元，最大值為219.4 kN；結構受軸力影響作用很小；主橋結構橫橋向彎矩最大值出現在39單元上，峰值為4 919.1 kN·m；主橋結構豎橋向彎矩最大值出現在4單元上，峰值為7 910.0 kN·m；主橋扭矩最大值出現在3單元，峰值為1 016.4 kN·m。因此，在主橋結構成橋階段，橋梁橋墩附近位置處的梁塊內力較大，必須引起項目施工單位重視，必要時采取措施，主橋結構這些靠近橋墩位置處的梁塊單元更容易在抖振力的長期作用下受到不良影響。

3 結論

（1）主橋結構各梁塊中，偏移位移量最大的部位是跨中梁塊，這個部位的橫橋向位移、豎橋向位移以及扭轉位移值都是所有梁塊中最大的。橫橋向來風對主橋結構影響很大，產生位移較大，豎橋向位移及扭轉位移都很小。跨中梁塊截面承受抖振剪力與扭矩作用相對較小，但是跨中產生的位移最大，表明跨中梁塊單元對比其他梁塊單元更易受到抖振響應的影響。

（2）主橋結構更易受橫橋向抖振剪力和豎向抖振彎矩的影響，主橋結構最大豎橋向剪力、橫橋向剪力、橫橋向彎矩以及豎橋向彎矩都出現在主橋結構橋墩附近位置的梁塊，靠近主橋結構橋墩位置的梁塊單元內力值較大。橋梁結構這些不利位置都要引起足夠重視，長期抖振力作用下不利位置處的橋梁構件更容易發生疲勞損壞等安全隱患。