高墩大跨连续刚构桥悬臂施工阶段抗风安全性研究★

段瑞芳 柳颖臣 郝宪武

(1.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018;2.湖州市公路管理局，浙江 湖州 313000;3.长安大学桥梁所，陕西 西安 710064)

在西部地区，高墩大跨连续刚构桥以其独特的优越性，深得设计者们的喜爱。随着经济的高速发展，连续刚构的桥墩会逐渐增高，跨度逐渐增大。而这些桥梁多分布在山区沟谷地形、地貌特别复杂的地区。在这些地方的风环境因受到地形的影响，其风速、风向以及空间分布变得较为复杂。高墩大跨连续刚构桥的施工方式多采用悬臂浇筑的方式进行，在桥墩较高的情况下，悬臂施工过程中结构稳定性较差，对外界风荷载的作用反应较为敏感。结构在外界复杂的风荷载的作用下易发生较大振动响应，结构过大的振动会威胁到结构自身的安全以及在结构上工作人员的安全。对于高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥结构，针对其施工过程中展开抗风性能的研究，不仅具有较好的社会、经济效益，同时对于提高我国高墩大跨度桥梁的发展有着十分重要的意义。

1 风对刚构悬臂的影响

对高墩大跨桥梁进行抗风设计，主要是为保障结构在施工阶段以及成桥运营中可能承受的外界风荷载的作用下结构的安全。

本文实例工程跨径为:(75+2×140+75)m。在《公路桥梁抗风设计规范》指出:根据多年的实践经验表明，对于跨径小于150 m的公路桥梁，结构的刚度一般较大，风荷载引起的振动比较小，与静风荷载相比，动力风荷载是次要的，采用短时距的阵风风速进行静力抗风设计，已能够满足桥梁在风作用下的抗风设计要求，因而可不进行复杂的风致振动的分析和动力抗风分析。

1.1 结构自振特性分析

结构自振特性分析结果显示:随着主梁悬臂施工的进行，悬臂长度逐渐增大，这个过程中结构基频呈现了逐渐减小的趋势，自结构上部箱梁的第二号块段施工到结构的最大悬臂阶段，结构的基频减小幅度达44.88%。同时，最大双悬臂状态的自振频率为0.162 3。而结构在其成桥运营阶段的自振频率为0.351。后者由于“T”构连接形成一个整体，共同承担外部的作用，此阶段结构刚度比较大，其稳定性较好。而结构的最大双悬臂阶段，上部结构的长悬臂仅通过高墩与基础相连，悬臂两端没有任何约束。说明最大高墩大跨连续刚构桥在其最大悬臂阶段稳定性最差。

1.2 结构在最不利状态的静阵风作用内力分析

由上节的结构动力特性分析得知，在最大悬臂状态结构的稳定性最差。本节针对依托工程，研究结构在静阵风荷载作用下，分析结构的主梁悬臂根部以及主墩墩底两个最不利截面的内力分布情况。1)主梁静阵风荷载计算分析。对于高墩大跨连续刚构桥，最大悬臂状态的稳定性最差。一般在桥梁的初步设计阶段，进行于静阵风荷载设计:主要验算结构在最大风荷载作用下，可能产生的最大风载内力。在抗风设计规范［3］中指出:在横桥向风作用下主梁单位长度上的横向静风荷载可按下式计算:横向风荷载:结构风荷载的加载方法。为了能够真实的反映出对高墩大跨预应力混凝土连续刚构桥的最大悬臂T构阶段进行抗风设计分析，必须考虑风载可能发生的各种不利荷载的作用，依次对桥梁进行加载，以保证桥梁结构的安全。在进行悬臂施工的连续刚构桥，必须计算下列风荷载内力［6］:a.主梁悬臂根部最大的横桥向弯矩和剪力;b.桥墩墩底截面的最大横向弯矩;c.桥墩墩底截面的最大扭矩。为了能够比较真实地反映风荷载作用下的高墩大跨连续刚构桥在其最大双悬臂状态的结构内力，根据相关规范，考虑多种最不利的情况进行加载。加载按表1中三种情况进行，各工况加载示意图见图1。

1.3 结构静风荷载作用结果分析

利用有限元分析软件Midas/civil 2010，对连续刚构桥在其最大悬臂施工阶段进行静阵风荷载作用模拟分析。

表1 加载方式

图1 加载示意图

1)结构挠度分析。在悬臂两端对称的阵风荷载工况一作用下，结构产生的最大横向挠度为41.32 mm，竖向最大挠度为－27.80 mm，结构在横桥向发生0.038°的转角。工况二:结构产生的最大横向挠度为46.47 mm，竖向最大挠度为－27.80 mm(且左右悬臂两端挠度不同)，结构在横桥向发生0.041°的转角。工况三:考虑到极端天气的可能性，结构产生的最大横向挠度为50.72 mm，竖向最大挠度为 －27.80 mm，结构绕桥墩向发生0.004°的扭转。结构在各工况下的挠度见表2。

表2 静风荷载作用下悬臂端位移 mm

表3 结构最大悬臂状态下各工况作用下桥墩截面内力

表4 结构最大悬臂状态下各工况作用下悬臂根部截面内力

2)结构内力分析。由表3，表4分析可知:结构的墩底截面在对称的阵风荷载作用下产生较大的z向弯矩，结构的扭矩较小。在非对称的阵风荷载作用下，在结构的主墩墩底截面产生较大的扭矩，对悬臂根部截面的扭矩影响不大。在考虑极端天气的风场分布情况下，桥墩底部出现较大的扭矩。

对以上内力结果分析可知:在以上的几种荷载工况作用下，结构的墩底处对各工况的作用比较敏感，而对主梁的影响较小。

3)结构应力分析。在以上三种不同的荷载工况作用下，悬臂根部的应力均为压应力，没有出现拉应力。通过比较:在以上三种工况作用下，悬臂根部截面的应力变化较小。满足混凝土的施工要求，结构施工安全。

根据上述三个荷载工况作用下的结构内力分析:结构的刚度较大，静阵风荷载对结构的影响较小，结构的位移以及截面的应力变化较小，结构的抗风性能良好。

2 结语

本文以跨径为(75+2×140+75)m高墩大跨连续刚构桥为背景。首先，推算出依托工程的桥址处抗风设计风速;其次，在结构的最大双悬臂阶段，对静阵风荷载作用下的结构的内力进行详细的分析;最后，并采用简化的动力荷载模拟分析结构在动力荷载作用下对结构上工作人员的舒适性做了讨论。得出以下主要结论:在T型刚构施工过程中，随着悬臂的伸长，结构的自振频率逐渐降低，结构的刚度逐渐降低，柔性变大。故在施工到结构的最大双悬臂时，是受力最不利的阶段，应加以重视。

对于T型刚构的最大双悬臂状态，通过考虑不同的三种加载工况，对结构进行静阵风分析，通过对结构的悬臂根部截面以及桥墩墩底截面的内力、位移和应力结果对比分析，在静阵风荷载作用下，结构的横向位移相对较大，而对竖向的位移影响很小。不同的加载方式对结构的内力影响比较大，故结构设计过程的内力计算需考虑风荷载的影响。

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