施工期大跨連續(xù)剛構(gòu)抗臺風(fēng)構(gòu)造設(shè)計與分析

鄧崇濤，楊冬平

(浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院 杭州市 310014)

0 引言

臺風(fēng)是臺州比較頻繁的氣象災(zāi)害，對大跨橋梁結(jié)構(gòu)，尤其是對處于施工狀態(tài)下的橋梁造成巨大威脅，保證施工狀態(tài)的抗風(fēng)安全，對主橋結(jié)構(gòu)開展抗風(fēng)性能研究是完全必要的。楊宇聰，李鑫[1]針對一座跨越臺風(fēng)區(qū)的大跨度斜拉橋施工期的最大單懸臂狀態(tài)，設(shè)置兩根抗風(fēng)索進(jìn)行加固，抑制抖振效果明顯。閻衛(wèi)國[2]通過計算和試驗研究，對新疆賽吾迭格爾超窄懸索橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出原設(shè)計抗風(fēng)方案不滿足規(guī)范的結(jié)論，并推薦了抗風(fēng)措施方案。張曉江[3]對岳口漢江特大橋主橋施工狀態(tài)和運(yùn)營階段的抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究，驗證了主梁斷面抗風(fēng)滿足設(shè)計要求。何旭輝[4]對蕪湖長江公路大橋施工期和運(yùn)營期的抗風(fēng)安全性的抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究，結(jié)果表明設(shè)置剛性連接桿可有效提高其動力性能。胡濤[5]針對鋼混凝土結(jié)合梁懸索橋，提出在主梁邊箱設(shè)置穩(wěn)定板的措施，可提升梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性。以上抗風(fēng)措施多在設(shè)計階段已考慮在內(nèi)，不需考慮安裝和拆卸的復(fù)雜工序，且也不一定適用于各種橋型和實際工況。處于風(fēng)區(qū)，因工期延誤及其他各種原因所致無法在預(yù)定工期內(nèi)完成合龍的需要采取臨時抗風(fēng)措施的橋型[6-7]，應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實際情況采用既能保證結(jié)構(gòu)安全，且安裝拆卸方便的抗風(fēng)措施。

臺州健跳港大橋由于左右兩幅掛籃橫梁施工間距未合理控制，使施工過程中左右兩幅不能同時施工，必須進(jìn)行錯位施工，進(jìn)而導(dǎo)致工期延誤，無法按預(yù)定工期在風(fēng)期前完成合龍，如圖1所示。本研究以該橋施工風(fēng)期抗臺構(gòu)造方案設(shè)計為背景，從有效提高結(jié)構(gòu)整體剛度的角度及現(xiàn)場實際情況出發(fā)，提出新型的利用掛籃孔搭設(shè)橫向勁性骨架和桁架，將結(jié)構(gòu)連為整體，方便安裝拆卸的安全經(jīng)濟(jì)的抗臺臨時加固方案。結(jié)合工期可能出現(xiàn)的最不利工況，利用Midas對橋梁結(jié)構(gòu)動力特性、施工狀態(tài)的靜風(fēng)荷載進(jìn)行驗算，并對兩種方案進(jìn)行比較。

1 工程概況

抗臺構(gòu)造設(shè)計以浙江省臺州健跳港特大橋為背景。橋梁采用(85+160+85)m的預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土(C50)連續(xù)剛構(gòu)，邊中跨比0.53，墩臺均采用徑向布置。箱梁為變截面連續(xù)箱梁，箱梁根部梁高9.5m，跨中和端部梁高3.5m，梁高按1.8次拋物線變化，挑臂長度3.65m。

2 風(fēng)荷載計算

2.1 基本風(fēng)速

橋位處的基本風(fēng)速即離地面或水面10m高度，平均百年一遇年最大風(fēng)速為V10=42.7m/s。從安全角度考慮，健跳港特大橋最長雙懸臂狀態(tài)抗臺構(gòu)造計算采用100年重現(xiàn)期基本風(fēng)速。

2.2 設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速

健跳港特大橋橋位處的基本風(fēng)速與浙江省氣候中心的椒江口處的基本風(fēng)速一致。因此根據(jù)椒江口處的數(shù)據(jù)，取健跳港特大橋橋位處風(fēng)速剖面指數(shù)在60m及以下高度為α=0.158，在60m以上高度為α=0.120。健跳港特大橋的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速公式為:

(1)

式中，z表示離開地面或水面的以m為單位的高度。健跳港特大橋跨中橋面設(shè)計標(biāo)高(左幅)34.54m，平均低潮位高程-1.84m，跨中橋面距水面高度為36.38m，成橋狀態(tài)設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為52.4m/s。

2.3 靜陣風(fēng)風(fēng)速

靜陣風(fēng)風(fēng)速計算公式為:

Vg=GvVd

(2)

式中,Gv表示靜陣風(fēng)系數(shù)，與水平加載長度和地表類別有關(guān)；Vd表示不同高度處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速。健跳港特大橋最長雙懸臂狀態(tài)水平加載長度158m，靜陣風(fēng)系數(shù)按B類地表確定為1.298，橋面高度靜陣風(fēng)風(fēng)速為68.0m/s。主梁各梁段及橋墩所受靜風(fēng)荷載見表1。

表1 主梁各梁段及橋墩靜風(fēng)荷載

3 抗風(fēng)構(gòu)造設(shè)計

3.1 抗風(fēng)構(gòu)造設(shè)計思路

劉榕等[8]對大跨度分離式高墩連續(xù)剛構(gòu)的抗風(fēng)性能研究中指出大跨連續(xù)剛構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)的振動頻率往往較低，在施工狀態(tài)及成橋狀態(tài)需要做相應(yīng)的減振措施。楊敏[9]、陶天友[10]對大跨度3塔、4塔懸索橋風(fēng)致抖振研究中指出抖振是橋梁抗風(fēng)的主要控制因素，且對應(yīng)于橋梁的低階頻率。故本研究抗風(fēng)措施從以下三點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計：

(1)大跨連續(xù)剛構(gòu)抗風(fēng)橫橋向抖振位移較大，是抗風(fēng)的主要控制性因素。

(2)橋梁的縱向抗彎抗剪剛度主要取決于混凝土箱梁，通過連接中跨最大懸臂端可以提升結(jié)構(gòu)的動力性能。

(3)抖振功率譜的主峰值一般與第一階固有頻率相對應(yīng)。

3.2 抗風(fēng)構(gòu)造方案設(shè)計

本方案針對具體工況和地理環(huán)境，設(shè)計橫向勁性骨架支撐和桁架結(jié)構(gòu)支撐兩種設(shè)計方案，對最大懸臂端進(jìn)行加固，把左右兩幅連接為整體來增大結(jié)構(gòu)整體剛度，從而抵抗橫風(fēng)和和豎風(fēng)對結(jié)構(gòu)的影響，有效抑制抖振，并利用掛籃孔作為錨固點(diǎn)，方便安裝以及后續(xù)的拆卸，如圖3、圖4所示。

支撐安裝位置盡可能靠近懸臂端，橫向勁性骨架支撐根據(jù)掛籃孔間距進(jìn)行布置，桁架支撐用鋼量較大僅在最大懸臂端布置。弦桿可分段制作，現(xiàn)場拼接，綴板僅在橫撐處每2.4m設(shè)置一個安裝孔，以確保下弦桿的穩(wěn)定性，安裝完成后在枕梁下灌注灌漿料使之與箱梁抗剪。

4 有限元分析

4.1 計算工況

考慮到現(xiàn)場實際施工進(jìn)度情況，風(fēng)荷載的計算工況左幅邊中跨均合龍、右幅邊中跨均未合龍。合龍狀態(tài)如圖5所示。計算模型包括0～23號箱梁梁段、橋墩。主梁和橋墩均采用梁單元，支撐材料均為16#工字鋼，橋墩底部采用固結(jié)，主梁和橋墩采用剛性連接,靜陣風(fēng)風(fēng)速以均布荷載形式按表1加載。

4.2 動力計算結(jié)果分析

使用Midas對健跳港特大橋施工狀況的最不利狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性的分析，圖6為三種工況的模型自振頻率對比，結(jié)果表明施加更加均勻的橫向勁性骨架的一階頻率明顯提高，雙懸臂結(jié)構(gòu)整體剛度得到了增強(qiáng)，可降低抖振的影響；僅在最大懸臂端施加桁架支撐的一階頻率僅反對稱頻率得到了提高。由動力分析結(jié)果可知橫向勁性骨架支撐能更有效地提高結(jié)構(gòu)動力性能。

4.3 靜風(fēng)計算結(jié)果分析

橫向風(fēng)荷載作用計算結(jié)果見表2和圖7～圖9所示，從結(jié)果可以看出施加桁架支撐可以降低主梁位移約為0.85cm，施加橫向勁性骨架支撐可以降低主梁懸臂端0.96719cm。兩種抗臺構(gòu)造在靜風(fēng)作用下降低主梁位移基本相同。

表2 橫向風(fēng)荷載作用下主梁最大位移計算結(jié)果

5 結(jié)論

以健跳港特大橋連續(xù)剛構(gòu)在最大懸臂施工遭遇臺風(fēng)為研究對象，提出了大型連續(xù)剛構(gòu)抗臺可供參考的相關(guān)構(gòu)造，得到了以下四點(diǎn)結(jié)論：

(1)由于周圍有局部受力構(gòu)造設(shè)計，可以充分利用掛籃行走孔作為抗臺臨時加固構(gòu)造的錨固點(diǎn)；

(2)在靜風(fēng)荷載作用下，橫向勁性骨架支撐和桁架支撐臨時抗風(fēng)措施均能增大結(jié)構(gòu)整體剛度，減小最不利位置位移從而抵抗側(cè)風(fēng)作用對結(jié)構(gòu)的影響；

(3)在結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)方面，橫向勁性骨架支撐增大結(jié)構(gòu)低階自振頻率，可以有效抑制抖振對結(jié)構(gòu)的不利影響，而桁架支撐僅反對稱頻率有提高，但用鋼量大，效率不高，且造價較高。

(4)從結(jié)構(gòu)安全、施工便捷及經(jīng)濟(jì)角度考慮，建議大型連續(xù)剛構(gòu)優(yōu)先選用橫向勁性骨架支撐作為臨時抗風(fēng)措施。