高墩大跨刚构—连续梁桥施工过程中的抗风分析

王宜平

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃 兰州 730000)

1 桥梁风害调查

风荷载是桥梁结构最主要遭受的自然外力，调查和分析桥梁的风灾及其产生的原因对于采用正确的抗风设计方法和提出有效抗风措施具有重要意义。1940年的塔科马悬索桥在8级大风作用下风致振动而破坏，使得桥梁工程师要充分面对风致振动问题，而且现代桥梁正朝着更大跨度、更纤柔的方向发展，大跨度以及超大跨度桥梁的结构刚度和结构阻尼相对较小，导致其对风的敏感性不断增加，对桥梁结构的抗风稳定性研究提出了新的重要课题。

桥梁的风毁事故最早可以追溯到1818年，苏格兰的Dryburgh Abbey桥首先因风的作用而遭到毁坏。桥梁风毁事件最著名的有两件，一个是苏格兰Tay桥的坠落事故，Tay桥的倒塌造成了75人死亡的惨剧，以此事件为契机开展了关于风压的研究;另一个是美国Tacoma悬索桥的坠落事故，以此事件为契机开展了关于风振的研究。在为调查美国Tacoma悬索桥的坠落事故而收集桥梁风毁的历史材料中，人们发现，自1818年起，至少己有12座桥梁毁于暴风。此外，还有一些桥梁因风的作用产生明显的振动。美国的金门大桥在1951年对其进行实测时，发现该桥在8～9级风力作用下，主梁1/4处的最大振动幅值为1.7 m。如此强烈的振动，对桥梁结构可能产生疲劳破坏，并引起行人或车辆的不安全感。

1962年到1963年间，日本的一座简易人行吊桥和一座架设中的桁架桥相继遭到风毁。近几年来，我国随着大跨度桥梁的建设，桥梁的风害也时有发生。例如广东南海九江公路斜拉桥施工中吊机被大风吹倒，砸坏主梁，江西九江长江公路铁路两用钢拱桥吊杆的涡激共振，上海杨浦斜拉桥拉索的涡振和风雨振使索套损坏等。这些桥梁风害事故的出现使人们越来越意识到桥梁风害问题的重要性。

2 工程概况

本论文以某在建高墩大跨度刚构—连续梁桥为例。主桥上部采用(87+5×162+87)m七跨预应力混凝土变截面刚构—连续箱梁，主桥箱梁采用C55混凝土，在6号、11号墩的墩顶设置支座，在7号～10号墩墩顶采用刚构体系。主桥6号桥墩采用矩形薄壁截面，截面尺寸为7.3 m(横向)×7.0 m(纵向);7号 ～10号桥墩采用双矩形薄壁截面，单个矩形截面尺寸为6.5 m(横向)×3.0 m(纵向);11号桥墩采用矩形薄壁截面，截面尺寸为7.3 m(横向)×6.0 m(纵向);6号 ～11号桥墩基础均采用整体式承台，每墩6φ2.5 m的钻孔灌注桩。主墩墩身采用C50混凝土，过渡墩和引桥桥墩的墩身及盖梁采用C40混凝土;桥墩承台及基桩、桥台耳背墙、台身、台帽、桥头搭板采用C30混凝土。

3 施工过程中的抗风研究

3.1 自然风的基本特征

风就是流动的空气，风的强度用风速表示，各气象台站记录下的多为风速资料。确定作用于工程结构上的风荷载时，必须依据当地风速资料确定基本风压。风的流动速度随离地面高度不同而变化，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T＞10 min长周期成分，称谓平均风速¯v(平均风)，另一种称谓脉动风速Vf(脉动风)。

3.2 风与结构的相互作用

风与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、结构的外型、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: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。

3.3 施工阶段设计风速

施工阶段的设计风速Vsd可按式(1)计算

式中，η为风速重现期系数，施工周期 ＜3年时，可采用系数0.78;Vsd为不同周期下的设计风速(m/s);Vd为不同周期下的设计风速(m/s)。

当桥梁地表处以上结构的施工工期 ＜3年时，可以采用不低于5年重现期的风速;此处取风速重现期系数η=0.78;悬臂施工的桥梁，除了对称加载外，还应考虑不对称加载工况，见图1，不对称系数取为0.5。

图1 施工阶段风荷载

3.4 桥墩的风荷载

桥墩的横桥向风作用下的阵风荷载FH可按式(2)计算

式中，ρ为空气密度(kg/m3);Vg为阵风风速(m/s);CH为桥墩的阻力系数，依照《公路桥梁抗风设计规范》JTG/T D60-01—2004 的 4.4.2 条规定取为 1.22;An为桥梁各构件顺风向投影面积(m2)。

根据式(2)计算出阵风荷载，然后以静力作用在桥墩上，利用Midas/Civil软件进行计算。计算结果见表 1、表 2。

表1 阵风荷载下桥墩自体的阶段内力和位移

悬臂施工的桥梁，除了对称加载外，还应考虑不对称加载工况，不对称系数取为0.5，计算结果见表3。

表2 最大悬臂状态下桥墩的内力和位移

表3 不对称荷载下桥墩最大悬臂状态的内力和位移

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T构最大悬臂状态下，因风荷载产生的内力和位移均大于桥墩自体阶段的结构内力和位移。悬臂端在不对称风荷载作用下位移为13.1 cm，T构最大悬臂施工阶段墩顶位移为9.4 cm。因此，最大悬臂施工阶段为最不利抗风状态。

3)在纵向风作用下，桥墩双肢无临时结构横向联接，墩顶位移为6.11 cm;当桥墩的双肢在墩顶横向临时联接时，使得两薄壁共同作用，墩顶的位移为1.23 cm，使得墩顶位移减少了79.8%，大大改善结构的抗风状态。

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