高墩大跨預應力混凝土空間斜拉橋風載安全分析

高墩大跨預應力混凝土空間斜拉橋風載安全分析

索里橋的抗風分析一直是橋設計的重要組成部分。目前,國內(nèi)、外橋梁的風載安全計算研究理論已趨成熟,主要方法是先根據(jù)橋梁尺寸及橋位地理特征(或實測)得到設計風速、風攻角等技術參數(shù),進行橫阻力、升力和扭轉力矩風載計算,然后通過有限元分析軟件及相關公式,進而判斷結構靜力安全及動力穩(wěn)定安全;特殊大跨結構除上述數(shù)值分析外,一般還進行風洞實驗;考慮到本橋為混凝土結構,主跨僅為120m,本文按現(xiàn)行《公路橋梁抗風設計規(guī)范》對結構在風載下的靜力及動力穩(wěn)定性能進行了簡要分析與總結。1項目總結1.1主橋上部結構峪道河大橋(見圖1)地處北京市懷柔區(qū)石門山風景區(qū),橋梁全長606.08m,主橋上部結構為(30m+60m+120m+60m+30m)5跨預應力混凝土空間雙塔雙索面斜拉橋,橋寬12.5m。橋梁所在道路等級為山嶺重丘區(qū)一級公路。1.2主塔東塔主梁為預應力混凝土∏型梁(斷面示意,見圖2),C50混凝土澆筑,梁高為1.8m,頂板寬12.2m,厚0.35～0.5m,腹板底寬1.1m,墩、塔處漸變至1.7m;主塔采用C50混凝土澆筑,中心高度15.3m,側面為扇形外張變化式造型,立面為直線放射外張式;斜拉索縱向索距7.2m,每塔設7對拉索,空間扇形布置,索梁夾角13.7°～17.5°。1.3橋址兩側山體高度高,地形該橋所處位置為中小型河道流經(jīng)的低洼山間盆地,北側6km為較高的分水嶺山脈,橋址兩側山體高度遠小于1.5倍溝寬,地形條件不利于構成山口或峽谷的風力條件,地表粗糙度系數(shù)α=0.3,且橋址上游10倍山高以內(nèi)有大量障礙物,均對減少橋梁風載構成有力條件。2橋梁抗風設計方案基本風速的確定有兩種方法,一是根據(jù)JTG/TD60-01-2004《公路橋梁抗風設計規(guī)范》附錄A查得10m高度處風速,再根據(jù)結構所處地表粗糙系數(shù)及橋梁高度計算得到;二是根據(jù)當?shù)貙崪y數(shù)值計算。本文采用方法一確定橋址的靜風荷載風速及設計基準風速,根據(jù)公式推算橋梁承受的靜風荷載。2.1風攻角該橋梁風攻角為0°。2.2風速設計根據(jù)橋址地形條件,查《公路橋梁抗風設計規(guī)范》北京地區(qū)基本風速28.6m。表1為計算風速一覽表。2.3結構內(nèi)橫向力主梁風載作用示意,見圖3。風載計算采用公式:式中:ρ代表空氣容重;Vg代表設計風速;CH代表構件橫向阻力系數(shù);CV代表豎向升舉系數(shù);CM代表扭轉力矩系數(shù);B代表主梁全寬;H代表主梁高度;An代表構件迎風面積。主梁橫向阻力系數(shù),主要風載計算值見表2。索與塔的橫向風力FH=0.5×ρ×Vg2×CH×An,主梁采用π型梁,腹板傾斜角度為13°,風載取值折減6.5%。成橋橫向拉索風力FH=0.5×ρ×Vg2×CH×An=44096N,CH=0.5;成橋塔側橫向風力FH=0.5×ρ×Vg2×CH×An=412732N,CH=1.8;懸臂塔側橫向風力為175911N;懸臂橫向拉索橫風為33806.5N;懸臂主梁橫向風力為2562.5×117=299812.5N;順橋向風力取橫向的25%。3計算程序和建模3.1計算程序計算采用ANSYS及MIDAS大型有限元程序。3.2空間梁單元的數(shù)值模擬根據(jù)各部分結構實際情況,主塔、縱、橫梁均采用空間梁單元進行模擬,模型中共有梁單元635個,索單元56個;樁基礎采用等效剛度模擬,樁底固結。4靜風計算見表3主塔在靜風組合中加入溫度應力也滿足安全要求,結果不再列出。另根據(jù)規(guī)范,結構在與汽車組合時按25m風速折減,也是安全的。5拉索間距的確定主梁斷面采用了有利于空氣通過的截面形式,該橋為密索體系,索間距避開了10～20倍索直徑,以免拉索發(fā)生尾流馳動。同時根據(jù)規(guī)范一般情況主跨大于400m斜拉橋才計算靜力穩(wěn)定,考慮該橋特殊造型,對穩(wěn)定性進行了計算。5.1靜力穩(wěn)定系數(shù)見表45.2結構靜力扭轉實施臨界風速根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》公式6.1.4-1,靜力扭轉發(fā)散臨界風速Vtd=713.8m/s,遠大于2·Vd=65.6m/s,結構靜力扭轉發(fā)散臨界風速遠滿足安全;該橋為非鈍體結構,且為混凝土材料,橋寬12.5m,橋跨120m,顯然橫向馳振穩(wěn)定驗算安全度很大,該橋B/H=6.8,同時主梁又為混凝土結構,不必進行馳振穩(wěn)定性驗算。5.3結構振動分析5.3.1顫振檢驗風速顫振穩(wěn)定性判斷公式:Vcr>[Vcr]=1.2·VD·μf其中,Vcr表示顫振臨界風速;[Vcr]表示顫振檢驗風速;一階扭轉基頻ft=2.336。顫振臨界風速Vcr=5·ft·B=5×2.336×12.5=146m/s;顫振檢驗風速[Vcr]=1.2·VD·μf=1.2×32.8×1.42=55.9m/s。顯然顫振臨界風速遠大于顫振檢驗風速,結構風穩(wěn)是安全的。5.3.2顫振臨界風速按照《公路橋梁抗風設計規(guī)范》6.4.1條判別:顫振檢驗風速[Vcr]=1.2·VD·μf=1.2×27.54×1.48=48.9m/s,顫振臨界風速Vcr=ηs·ηα·Vc0=0.9×0.7×Vc0=180.6m/s。顯然顫振臨界風速也遠大于顫振檢驗風速,結構風穩(wěn)特別安全。6風致振幅限制6.1混凝土結構風自身剛度分析抖振為紊流對風敏感橋梁激發(fā)的結構振動,其分析需要通過適當?shù)娘L洞實驗或復雜的數(shù)值模擬技術,由于該橋為混凝土結構風敏感度不大,條件所限,該橋沒有進行抖振分析。6.2振動共振該橋主梁及橋塔均為混凝土結構,橋梁不考慮渦激共振現(xiàn)象。7結構抗靜風能力考慮非線性的研究分析結果1)該橋為我國首座柔梁矮塔景觀斜拉橋,進行抗風靜力及動力穩(wěn)定分析十分必要。2)忽略結構扭轉變形對靜風荷載的非線性影響,將會過高地估計結構的抗靜風穩(wěn)定能力,這對結構抗風設計不利,是偏于不安全的;但大量研究分析結果表明,800m跨徑以下斜拉橋的線性風載分析