廣西平南三橋施工階段靜風響應研究

摘要：為評估廣西平南三橋施工階段中的抗風穩定性，文章通過有限元軟件計算了塔架和拱肋在無橫向纜風索及安裝橫向纜風索后，不同風攻角及風偏角條件下的最大位移，并探究了纜風索不同初應力及橫截面積對靜風作用下塔頂及拱肋位移的影響。結果表明：（1）設置纜風索能有效減小塔頂順橋向、橫橋向以及拱肋橫橋向的位移；（2）在靜風作用下塔頂及拱肋橫橋向位移對纜風索的橫截面積較為敏感，對初應力則不敏感，增大橫截面積能夠明顯降低靜風作用下拱肋橫橋向位移；（3）在各纜風索布置情況下，各最不利工況出現的條件較為集中，在設計中應予以重點關注。

關鍵詞：鋼管混凝土拱橋；施工階段；靜風響應；抗風穩定性；纜風索

中圖分類號：U441+.3 A 32 112 4

0 引言

鋼管混凝土拱橋因其結構合理性和施工便捷性，在20世紀90年代后得到廣泛應用，我國鋼管混凝土拱橋的數量已超過460座［1］。在鋼管混凝土拱橋建設過程中，由于纜索吊裝斜拉扣掛法施工能較好適應工廠制造和現場拼裝的施工工藝，易于跨越峽谷、河流，加快施工工期，是鋼管混凝土拱橋首選的施工方法［2］。塔架是鋼管混凝土拱橋纜索吊裝法施工中重要的承重結構，由于塔架處于比橋面標高高出許多的高空，經常遭遇強風作用，因此其抗風設計參數要顯著大于主梁所對應的值。

目前國內外學者主要針對風荷載作用下塔架承載力、穩定性及周邊干擾振動響應等內容進行了研究。謝強、肖琦等［3-5］通過數值模擬和風洞試驗的方法，研究了不同橫隔面布置方法對輸電塔結構動力特性的影響；樓文娟等［6］以220 kV角鋼輸電塔為研究對象，采用風洞試驗的方式得到了各構件風壓及體型系數隨風攻角的變化規律，并對整塔段的體型系數的試驗值與國內外規范進行了對比；趙桂峰等［7］研究了輸電塔線體系在紊流風場中的風振響應，并考慮了橫隔面對輸電塔線體系抗風能力的影響。

由此可見，國內外學者針對塔架的研究主要集中于輸電塔方面，針對鋼管混凝土拱橋吊裝施工用的塔架的抗風研究則相對較少，而塔架的安全性直接關系到橋梁的施工安全，因此對超高塔架的抗風性能進行檢驗及評估是很有必要的。本文以廣西平南三橋為工程背景，通過理論計算與數值模擬的方式，對其施工過程中塔架的靜風響應進行研究，得到了不同纜風索布置形式、風攻角及風偏角條件下各工況塔頂及拱肋的最大位移，并分析了其主要影響因素。研究結果可為類似超高塔架設計與施工提供參考。

1 工程概況

平南三橋位于廣西平南縣，是一座主跨為575 m的中承式鋼管混凝土拱橋，全橋主拱肋共設44節段。主拱肋節段安裝采用纜索吊裝斜拉扣掛工藝，塔架采用“主扣合一”的結構形式，塔底與地面固結。斜拉扣掛系統由扣索、水平力調節索兩部分組成，扣索用于扣掛拱肋節段，采用通索地面張拉的布置形式，實現拱肋的懸臂拼裝；水平力調節索則主要用于平衡塔架水平力。斜拉扣掛系統由錨拉板扣點、分配梁、前錨點、扣索、扣索鞍、后張拉錨固點等組成，南岸扣掛體系如圖1所示。

2 風荷載計算

2.1 風速取值

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01-2018）［8］（以下簡稱《規范》）中附錄A全國各氣象臺站的基本風速值，橋位相鄰氣象臺為廣西桂平市氣象臺，百年一遇的基本風速為24.0 m/s。綜合考慮平南三橋工程的安全性，基本風速為24.0 m/s，場地類別為B類，地表粗糙度系數取0.16，粗糙高度為0.05 m。

根據《規范》規定，橋梁或構件基準高度Z處的基準風速可按式（1）計算：

Ud=kfZ10a0Us10（1）

式中：Ud——橋梁或構件基準高度Z處的設計基準風速；

kf——抗風風險系數，取1.0；

a0——橋址處地標粗糙系數，取0.16；

Us10——橋梁設計基本風速，取24.0 m/s。

施工階段的設計風速可按式（2）計算：

Usd=ksfUd（2）

式中：ksf——施工期抗風風險系數，取0.84。

根據《規范》規定，靜陣風風速等于靜陣風系數乘以構件基準高度處的風速。平南三橋施工階段拱肋最大懸臂狀態靜陣風系數按照規范可取1.29，施工塔架靜陣風系數可取1.35。

因此拱肋和塔架構件基準高度處的靜陣風風速Ugl、Utj分別由式（3）、式（4）計算得來：

Ugl=GvUsd（3）

Utj=GvUsd（4）

式中：Gv——等效靜陣風系數，拱肋取1.29，塔架取1.35。

2.2 拱肋風荷載

根據《規范》，作用在拱肋上單位長度的靜風荷載可按式（5）～（7）計算：

FH=12ρU2glCHB

（5）

FV=12ρU2glCVB

（6）

FZ=12ρU2glCZB

（7）

式中：FH、FV及FZ——風荷載作用在構件上的阻力、升力、升力矩；

ρ——密度，取1.225 kg/m3；

"""CH、CV、CZ——體軸坐標系下以構件寬度B為參考尺寸的阻力、升力、升力矩系數。

平南三橋的三分力系數采用與其結構形式類似的茅草街大橋測力試驗結果。拱肋從拱腳到拱頂每兩根豎向腹管之間為一個節段計算風荷載，每個節段的風荷載施加在豎向腹管上下節點上，拱肋共計288個節點施加風荷載。

2.3 塔架風荷載

根據《規范》，作用在塔架上的靜風荷載可按式（8）計算：

FH=12ρU2tjCHAn（8）

式中：An——各構件順風向投影面積。

塔架從塔底到塔頂以4 m為一個節段計算風荷載，每個節段的風荷載施加在各片桁架豎向立柱的節點上；塔架從塔底到塔頂共6個橫撐風荷載施加在各片桁架豎向立柱的節點上。塔架共計1 294個節點施加風荷載。

3 結構有限元建模

3.1 有限元計算模型

平南三橋南岸施工塔架和拱肋采用有限元軟件ANSYS建模，塔架、拱肋用beam4單元模擬，扣索、纜風索、平衡索用link10單元模擬。塔架底部及拱腳底部采用固結，扣索與拱肋之間采用剛性連接，扣索與塔架索鞍處放松順橋方向的自由度。塔架和拱肋未安裝橫橋向纜風索的結構有限元模型如下頁圖2所示；塔架和拱肋安裝橫橋向纜風索的結構有限元模型如下頁圖3所示。

3.2 模型校核

通過將無橫橋向纜風索的ANSYS模型和Midas模型結構動力特性及“自重+塔頂主纜力”荷載作用下結構響應進行對比校核ANSYS模型的正確性。兩個有限元模型前十階頻率如表1所示。由表1可知，ANSYS模型與Midas模型前十階頻率吻合良好。選取1 752號節點和30 314號節點分別作為塔頂和拱肋跨中的代表節點，在“自重+塔頂主纜力”荷載組合下兩點的位移響應如表2所示。由表2可知，ANSYS模型與Midas模型位移響應吻合良好。由此，ANSYS模型的正確性得到校核。

4 靜風響應分析

考慮風速沿塔架和拱肋高度的修正，塔架施加順橋向和橫橋向的風荷載，拱肋只施加橫橋向風荷載。以風由岸到江作為0°偏角，俯視順時針旋轉為正方向。圖4、圖5分別為風攻角和風偏角示意圖。

通過有限元軟件ANSYS計算了塔架和拱肋在無橫向纜風索及安裝橫向纜風索后，不同風攻角及風偏角條件下的最大位移，同時考慮了纜風索不同初應力及橫截面積對靜風作用下塔頂及拱肋位移的影響。塔架和拱肋在不同纜風索布置情況下塔頂順橋向和橫橋向及拱肋橫橋向的最大位移與最不利工況如表3所示。

由表3可知，設置纜風索能有效減小塔頂順橋向、橫橋向以及拱肋橫橋向的位移。由于纜風索設置在橫橋向，因此對塔頂順橋向的位移影響有限，減小的幅度較小；而對于橫橋向的塔頂及拱肋位移，則出現大幅度的下降，塔頂橫橋向位移可減小40.16%，拱肋橫橋向位移可減小37.82%，對提高施工階段抗風穩定性起到明顯作用。

增大纜風索的初應力或截面面積同樣在一定程度上能夠減小靜風作用下塔頂及拱肋的位移。對于橫橋向位移，單獨增大初應力對塔架及拱肋的抗風穩定性起到削弱的作用，其橫橋向位移均呈小幅度上升的趨勢；而增大橫截面面積則能夠減小橫橋向位移，塔頂的最大減小幅度約為0.32%，拱肋的最大減小幅度則為18.64%，較為明顯；當同時增大初應力及橫截面面積時，對塔頂及拱肋橫橋向位移的影響不大，均呈現略微增大的趨勢。因此，塔頂及拱肋橫橋向位移對纜風索的橫截面面積較為敏感，對初應力則不敏感，增大橫截面面積能夠使靜風作用下拱肋橫橋向位移顯著減小。

此外，由表3有限元計算結果可見，各纜風索布置情況下，塔頂順橋向的最不利工況均出現在0°攻角、180°偏角條件下；塔頂橫橋向的最不利工況出現在0°攻角、270°偏角及+3°攻角，270°偏角條件下；拱肋橫橋向最不利工況均出現在-3°攻角，90°偏角條件下，在設計中應予以重點關注。

5 結語

本文以廣西平南三橋為工程依托，分析了采用“纜索吊裝斜拉扣掛”工藝安裝主拱節段過程中，塔架及拱肋的抗風穩定性，主要得到以下結論：

（1）設置纜風索能有效減小塔頂順橋向、橫橋向以及拱肋橫橋向的位移。其中橫橋向的位移顯著減小，能極大提高施工過程中塔架及拱肋的抗風穩定性。

（2）在靜風作用下塔頂及拱肋橫橋向位移對纜風索的橫截面積較為敏感，對初應力則不敏感，增大橫截面積能夠明顯降低靜風作用下拱肋橫橋向位移。

（3）在各纜風索布置情況下，塔頂順橋向的最不利工況均出現在0°攻角、180°偏角條件下；塔頂橫橋向的最不利工況出現在0°攻角、270°偏角及+3°攻角、270°偏角條件下；拱肋橫橋向最不利工況均出現在-3°攻角、90°偏角條件下，在設計中應予以重點關注。

參考文獻

［1］鄭皆連.大跨徑拱橋的發展及展望［J］.中國公路，2017（13）：35-37.

［2］吳進明.纜索吊裝斜拉扣掛法在鋼管混凝土拱橋施工中的應用［J］.寧夏工程技術，2007（1）：57-60.

［3］謝 強，閻 啟，李 杰.橫隔面在高壓輸電塔抗風設計中的作用分析［J］.高電壓技術，2006（4）：1-4.

［4］肖 琦，王永杰，肖茂祥，等.橫隔面在高壓輸電塔抗風設計中的作用分析［J］.東北電力大學學報，2011，31（Z1）：32-36.

［5］肖 琦，李 卓，郭校龍.沿海地區輸電鐵塔抗風加固研究［J］.黑龍江電力，2013，35（2）：100-102，110.

［6］樓文娟，王 東，沈國輝，等.角鋼輸電塔桿件風壓及體型系數的風洞試驗研究［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2013，41（4）：114-118，132.

［7］趙桂峰，謝 強，梁樞果，等.輸電塔架與輸電塔線耦聯體系風振響應風調試驗研究［J］.建筑結構學報，2010，31（2）：69-77.

［8］JTG/T 3360-01-2018，公路橋梁抗風設計規范［S］.

收稿日期：2022-12-20