连续刚构最大悬臂状态施工中的抗风分析

摘要：由于山区自然风变化无常，桥梁建设周期较长，处于施工中的高墩大跨连续刚构最大悬臂状态刚度小，柔性大，通常为最不利的抗风状态。以在建某高墩大跨连续刚构桥的最大悬臂施工状态为例，建立有限元模型围绕最大双薄壁状态高墩的抗风性能进行研究。

中图分类号： tu973+.32 文献标识码： a 文章编号： 1 桥梁风害

风是引起桥梁结构反应的的直接作用，由于它在自然界中变化无常，自身又携带着很大的能量，通常是桥梁结构最主要遭受的自然外力。1940年，塔科马悬索桥在大风作用下出现主梁扭转振动而破坏，使得工程界和学界认识到风致振动的灾害性，于是把桥梁结构的抗风稳定性能纳入新的重要研究课题[1]。目前，桥梁结构正朝着更大跨度、更纤柔的方向发展，桥梁工程师必须面对抗风稳定性能，充分认识风致振动问题。

风对结构的相互作用是一个十分复杂的现象，它受风的自然特性、结构的外形、结构的动力特性以及风与结构的相互作用等多方面因素制约。这里把风与结构的相互作用也可分成[2-3]：①空气力受结构振动的影响很小，可忽略不计；②空气受结构振动的反馈制约，引起一种自激振动机制。连续刚构通常建设在跨越沟壑的地方，沟壑本身对来流风有加速效应，会增大风对结构的作用。而地形下垫面的实际情况对梯度风也有显著的影响，改变来流风的大小

以及风向，都会对结构内力带来不同程度的作用。连续刚构的最大双悬臂状态柔性大，此时稳定性差。因此，工程师除考虑常规荷载作用下的稳定性以外还需根据当地风的自然情况分析对桥梁结构的作用，保证桥梁结构的施工安全性以及合拢施工时的精度。 虽然预应力混凝土连续刚构桥在成桥运营状态具有良好的抗风性能，但最大双悬臂施工状态时，抗风性能较薄弱，因此设计施工非常有必要进行风荷载对结构作用的研究，确保施工的安全和施工的精度。在跨越沟壑时，并行双幅刚构桥受风荷载的作用不容忽视，尤其是最大悬臂施工状态时，结构处于t构状态刚度不足，对风荷载作用非常敏感，风荷载很大程度上起到控制荷载作用。在静风作用方面对墩底横桥向弯矩和扭矩提出了严格的要求。 2 工程概况

某在建大桥是一高墩大跨预应力混凝土变截面连续刚构，桥梁全长为1690.0米，主桥跨径组合为98+5×185+98，大桥位于河谷阶地地貌，桥墩高160m；主桥桥墩采用矩形薄壁截面，截面尺寸为7.5（横向）×7.0m（纵向）。该地区风环境复杂，因此设计施工非常有必要进行风荷载对结构作用的研究，确保施工的安全和施工的精度。

2.1 基本风速的确定

根据相关资料，桥址处10米高度处100年重现期的10分钟平均最大风速为25m/s, 因此基本风速取为＝25m/s。 通过基本风速换算到b类地貌梯度风高度处的风速为：

根据梯度风高度处的风速相等得到。桥面到墩底的高度为171.5m，可以得到桥面高度成桥状态的设计基准风速为：

施工阶段的设计风速为：

3 施工中的抗风研究

风即是空气的流动，具有强烈的脉动性能，均以湍流风出现。目前研究湍流广泛采用的方法是平均法，即把湍流看成是由平均流动和脉动流动的叠加。所以风场的风速可以表示为平均风速和脉动风速之和[4]。确定作用于工程结构上的风荷载时，必须确定当地的基本风速，通常可依据各气象站记录下的风速资料。风速随离地面的高度不同而变化，还与地貌环境等多种因素有关。为了设计上的方便，可按规定的量测高度、地貌等标准条件确定风速，对于非标准条件下的情况由此进行换算。由风速仪实测记录的时程曲线可以看出，风速包括两种成分，一种周期大于t>10min长周期成分，称平均风，另一种称为脉动风速。

图1 施工阶段非对称风荷载示意图

我们研究气动干扰效应主要关注的是三分力系数的变化，三分力系数直接影响了静荷载。静荷载按静阵风荷载计算，等效静阵风荷载指按等效静阵风风速计算的静力风荷载。在设计基准风速下的等

效静阵风风速由下式计算[5]：

式中：为设计基准风速，为等效静阵风系数。对于本桥，在最大双悬臂施工阶段，主梁水平加载长度为185 m，取为1.29，则等效静阵风风速为m/s。桥墩水平加载长度按小于20m选取，取为1.35。计算时考虑了两种加载方式，一种是在左右悬臂按相等风压加载；另一种是左右悬臂按0.5倍不平衡风压加载。在0°风向角对称加载工况下，主梁根部和墩底的内力值见表1和表2；不对称加载工况下，主梁根部和墩底的内力值见表3和表4。

本文使用国际通用流体力学计算软件fluent6.3.26对各断面的三分力系数进行数值模拟。同时根据空气静力三分力系数，可计算出最大双悬臂状态下的某些关键截面的静风内力。荷载加载时采用对称加载和不对称加载两种工况，不对称系数取0.5。在0度风向角对称加载下，主梁根部和墩底所受的内力值见表1；不对称加载下，主梁根部和墩底所受的内力值见表2。 表1对称加载工况下主梁根部内力值

注：负号表示截面所受的力或弯矩方向与定义的方向相反。 表2 不对称加载工况下主梁根部内力值

通过主梁和桥墩断面的风荷载计算可知：就阻力而言，主梁迎风侧的阻力为正值，背风侧的阻力为负值，而且迎风测的阻力明显高于背风侧的阻力。不管迎风侧还是背风侧，阻力的绝对值均随宽高

比的增大而减小。同时桥墩的阻力也随宽高比的增大而减小。对于升力和扭矩而言，主梁迎风侧的升力和扭矩也明显高于背风侧。 4 结论

1）桥墩自体施工横向风荷载效应均小于纵向风荷载的效应，t构最大双悬臂状态下不对称风荷载对桥墩产生的效应比对称风荷载更不利。

2）对于大跨度刚构桥，桥墩在刚构最大悬臂状态，受风环境的影响，产生的内力大，尤其是弯矩和扭矩，不容忽视。因此，最大悬臂施工阶段为最不利抗风状态。 参考文献

[1] 马保林.高墩大跨连续刚构桥[m].北京：人民交通出版社,2001.

[2] 陈政清.桥梁风工程.北京:人民交通出版社,2005. [3] 郭春平,白桦,洪光.双幅桥三分力系数气动干扰效应的数值模拟研究[j].重庆交通大学学报.2011,10(5):9-901. [4] jtgtd60-01-2004.公路桥梁抗风设计规范[s].

[5] 陈艾荣,项海帆.悬臂施工中的刚构桥梁的风荷载计算方法[j].公路,1998(3):7-10. 作者简介：

孙绪康 （1986- ），男，山东聊城人，研究方向为沥青及沥青混合料、路面结构设计理论及方法。