高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土空間斜拉橋風(fēng)載安全分析

高墩大跨預(yù)應(yīng)力混凝土空間斜拉橋風(fēng)載安全分析

索里橋的抗風(fēng)分析一直是橋設(shè)計(jì)的重要組成部分。目前,國(guó)內(nèi)、外橋梁的風(fēng)載安全計(jì)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?qū)崪y(cè))得到設(shè)計(jì)風(fēng)速、風(fēng)攻角等技術(shù)參數(shù),進(jìn)行橫阻力、升力和扭轉(zhuǎn)力矩風(fēng)載計(jì)算,然后通過(guò)有限元分析軟件及相關(guān)公式,進(jìn)而判斷結(jié)構(gòu)靜力安全及動(dòng)力穩(wěn)定安全;特殊大跨結(jié)構(gòu)除上述數(shù)值分析外,一般還進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn);考慮到本橋?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu),主跨僅為120m,本文按現(xiàn)行《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)結(jié)構(gòu)在風(fēng)載下的靜力及動(dòng)力穩(wěn)定性能進(jìn)行了簡(jiǎn)要分析與總結(jié)。1項(xiàng)目總結(jié)1.1主橋上部結(jié)構(gòu)峪道河大橋(見(jiàn)圖1)地處北京市懷柔區(qū)石門山風(fēng)景區(qū),橋梁全長(zhǎng)606.08m,主橋上部結(jié)構(gòu)為(30m+60m+120m+60m+30m)5跨預(yù)應(yīng)力混凝土空間雙塔雙索面斜拉橋,橋?qū)?2.5m。橋梁所在道路等級(jí)為山嶺重丘區(qū)一級(jí)公路。1.2主塔東塔主梁為預(yù)應(yīng)力混凝土∏型梁(斷面示意,見(jiàn)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(cè)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(shè)7對(duì)拉索,空間扇形布置,索梁夾角13.7°～17.5°。1.3橋址兩側(cè)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(cè)6km為較高的分水嶺山脈,橋址兩側(cè)山體高度遠(yuǎn)小于1.5倍溝寬,地形條件不利于構(gòu)成山口或峽谷的風(fēng)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(duì)減少橋梁風(fēng)載構(gòu)成有力條件。2橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)方案基本風(fēng)速的確定有兩種方法,一是根據(jù)JTG/TD60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》附錄A查得10m高度處風(fēng)速,再根據(jù)結(jié)構(gòu)所處地表粗糙系數(shù)及橋梁高度計(jì)算得到;二是根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)測(cè)數(shù)值計(jì)算。本文采用方法一確定橋址的靜風(fēng)荷載風(fēng)速及設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速,根據(jù)公式推算橋梁承受的靜風(fēng)荷載。2.1風(fēng)攻角該橋梁風(fēng)攻角為0°。2.2風(fēng)速設(shè)計(jì)根據(jù)橋址地形條件,查《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》北京地區(qū)基本風(fēng)速28.6m。表1為計(jì)算風(fēng)速一覽表。2.3結(jié)構(gòu)內(nèi)橫向力主梁風(fēng)載作用示意,見(jiàn)圖3。風(fēng)載計(jì)算采用公式:式中:ρ代表空氣容重;Vg代表設(shè)計(jì)風(fēng)速;CH代表構(gòu)件橫向阻力系數(shù);CV代表豎向升舉系數(shù);CM代表扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù);B代表主梁全寬;H代表主梁高度;An代表構(gòu)件迎風(fēng)面積。主梁橫向阻力系數(shù),主要風(fēng)載計(jì)算值見(jiàn)表2。索與塔的橫向風(fēng)力FH=0.5×ρ×Vg2×CH×An,主梁采用π型梁,腹板傾斜角度為13°,風(fēng)載取值折減6.5%。成橋橫向拉索風(fēng)力FH=0.5×ρ×Vg2×CH×An=44096N,CH=0.5;成橋塔側(cè)橫向風(fēng)力FH=0.5×ρ×Vg2×CH×An=412732N,CH=1.8;懸臂塔側(cè)橫向風(fēng)力為175911N;懸臂橫向拉索橫風(fēng)為33806.5N;懸臂主梁橫向風(fēng)力為2562.5×117=299812.5N;順橋向風(fēng)力取橫向的25%。3計(jì)算程序和建模3.1計(jì)算程序計(jì)算采用ANSYS及MIDAS大型有限元程序。3.2空間梁?jiǎn)卧臄?shù)值模擬根據(jù)各部分結(jié)構(gòu)實(shí)際情況,主塔、縱、橫梁均采用空間梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,模型中共有梁?jiǎn)卧?35個(gè),索單元56個(gè);樁基礎(chǔ)采用等效剛度模擬,樁底固結(jié)。4靜風(fēng)計(jì)算見(jiàn)表3主塔在靜風(fēng)組合中加入溫度應(yīng)力也滿足安全要求,結(jié)果不再列出。另根據(jù)規(guī)范,結(jié)構(gòu)在與汽車組合時(shí)按25m風(fēng)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(guò)的截面形式,該橋?yàn)槊芩黧w系,索間距避開(kāi)了10～20倍索直徑,以免拉索發(fā)生尾流馳動(dòng)。同時(shí)根據(jù)規(guī)范一般情況主跨大于400m斜拉橋才計(jì)算靜力穩(wěn)定,考慮該橋特殊造型,對(duì)穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算。5.1靜力穩(wěn)定系數(shù)見(jiàn)表45.2結(jié)構(gòu)靜力扭轉(zhuǎn)實(shí)施臨界風(fēng)速根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》公式6.1.4-1,靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速Vtd=713.8m/s,遠(yuǎn)大于2·Vd=65.6m/s,結(jié)構(gòu)靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散臨界風(fēng)速遠(yuǎn)滿足安全;該橋?yàn)榉氢g體結(jié)構(gòu),且為混凝土材料,橋?qū)?2.5m,橋跨120m,顯然橫向馳振穩(wěn)定驗(yàn)算安全度很大,該橋B/H=6.8,同時(shí)主梁又為混凝土結(jié)構(gòu),不必進(jìn)行馳振穩(wěn)定性驗(yàn)算。5.3結(jié)構(gòu)振動(dòng)分析5.3.1顫振檢驗(yàn)風(fēng)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(fēng)速;[Vcr]表示顫振檢驗(yàn)風(fēng)速;一階扭轉(zhuǎn)基頻ft=2.336。顫振臨界風(fēng)速Vcr=5·ft·B=5×2.336×12.5=146m/s;顫振檢驗(yàn)風(fēng)速[Vcr]=1.2·VD·μf=1.2×32.8×1.42=55.9m/s。顯然顫振臨界風(fēng)速遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,結(jié)構(gòu)風(fēng)穩(wěn)是安全的。5.3.2顫振臨界風(fēng)速按照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》6.4.1條判別:顫振檢驗(yàn)風(fēng)速[Vcr]=1.2·VD·μf=1.2×27.54×1.48=48.9m/s,顫振臨界風(fēng)速Vcr=ηs·ηα·Vc0=0.9×0.7×Vc0=180.6m/s。顯然顫振臨界風(fēng)速也遠(yuǎn)大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速,結(jié)構(gòu)風(fēng)穩(wěn)特別安全。6風(fēng)致振幅限制6.1混凝土結(jié)構(gòu)風(fēng)自身剛度分析抖振為紊流對(duì)風(fēng)敏感橋梁激發(fā)的結(jié)構(gòu)振動(dòng),其分析需要通過(guò)適當(dāng)?shù)娘L(fēng)洞實(shí)驗(yàn)或復(fù)雜的數(shù)值模擬技術(shù),由于該橋?yàn)榛炷两Y(jié)構(gòu)風(fēng)敏感度不大,條件所限,該橋沒(méi)有進(jìn)行抖振分析。6.2振動(dòng)共振該橋主梁及橋塔均為混凝土結(jié)構(gòu),橋梁不考慮渦激共振現(xiàn)象。7結(jié)構(gòu)抗靜風(fēng)能力考慮非線性的研究分析結(jié)果1)該橋?yàn)槲覈?guó)首座柔梁矮塔景觀斜拉橋,進(jìn)行抗風(fēng)靜力及動(dòng)力穩(wěn)定分析十分必要。2)忽略結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)變形對(duì)靜風(fēng)荷載的非線性影響,將會(huì)過(guò)高地估計(jì)結(jié)構(gòu)的抗靜風(fēng)穩(wěn)定能力,這對(duì)結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計(jì)不利,是偏于不安全的;但大量研究分析結(jié)果表明,800m跨徑以下斜拉橋的線性風(fēng)載分析