悬臂施工的钢混混合连续梁桥台风响应实测与分析

俞 伯 林

(福州市城乡建设发展有限公司， 福建 福州 350003)

大跨度钢混凝土混合连续梁桥在悬臂施工阶段，随着悬臂长度的增长，桥梁柔度增加，在风荷载特别是在台风荷载作用下，将在墩梁交接处产生较大的应力和位移。因此，在大跨度桥梁施工过程中，风荷载尤其是台风荷载对桥梁的作用成为控制桥梁结构安全的重要因素[1]；台风荷载作用下大跨度桥梁的响应研究及相应施工控制措施是沿海地区桥梁建设的重要课题之一[2]。

根据《公路桥涵设计通用规范》[3](JTG D60—2015)和《公路桥梁抗风设计规范》[4](JTG/T D60-01—2004)的规定，台风荷载对结构的作用可以等效为作用于桥梁上的均布静力荷载作用。为了研究抖振、涡振对大跨度桥梁受力性能的影响，曾宪武等[5]、廖丽恒等[6]、Yang等[7]、Tan等[8]采用不同方法对不同类型桥梁的风致振动进行了计算分析。但这些分析大多是成桥状态的受力分析，涉及大跨度桥梁悬臂施工过程中的台风风险和抗台风措施研究[9-10]较少。

本文以大跨度钢混混合连续梁桥—马尾大桥主桥为研究对象[12-14]，将施工过程中桥梁承受的台风荷载等效为均布静力荷载，利用有限元计算[15]和实桥测试对大桥在施工过程中的台风荷载响应进行分析和验证，计算大桥在台风荷载作用下的应力和位移响应，并对大桥在施工过程中遭遇台风影响的风险进行评估。

1 工程背景

马尾大桥跨江段主桥分左右幅采用双向八车道规模，桥面宽度42.5 m。如图1所示，主桥孔跨布置为71 m+83 m+123.5 m+240 m+123.5 m+83 m+71 m=795 m，分为主、副桥两联。主桥根部采用空腹式V型变高度梁，主V撑空腹部分上弦对应支点位置梁高3.8 m，下弦竖向高度4.5 m。通航主跨采用240 m空腹式钢混凝土混合变截面连续箱梁结构。中跨跨中96 m采用钢箱梁，其余部分全部采用预应力混凝土结构，截面为单箱双室直腹板截面。主梁混凝土采用C55。

图1马尾大桥主桥布置图(单位：cm)

2 有限元模型

2.1 有限元模型建立

采用桥梁专业软件MIDAS/Civil进行分析计算，空间计算模型见图2。全桥共587个节点，494个梁单元。建立的有限元模型真实地模拟了主桥各梁段(如截面变化复杂的梁段：主V结构、次边V结构、边V结构以及相对应的上弦梁截面等)的截面形状和受力状态。

图2有限元计算模型

根据《公路桥涵设计通用规范》[3](JTG D60—2015)的规定，将“横桥向风荷载水平地垂直作用于桥梁迎风面积的形心上”，其标准值

Fwh=k0k1k3WdAwh

(1)

式中：k0是设计风速重现期换算系数，对于单孔跨径指标是特大桥和大桥的桥梁而言，k0=1.0，对于施工架设期桥梁，k0=0.75；k1是风载阻力系数，按通规取值；k3是地形、地理条件系数，根据大桥所处的地理条件，k3=1.0。

根据实测或气象资料得到的台风条件下的风速资料(台风条件下的最大风速Vt)，参照通规计算公式，计算台风条件下的计算风压标准值

(2)

γ=0.012017e-0.001Z

(3)

式中：γ是空气重力密度，kN/m3，g=9.81 m/s2是重力加速度；Z是距离水面的高度，对于马尾大桥按30 m进行取值。

依据气象资料，根据台风等级将台风风速设置为7个不同等级，见表1所示。取划分台风等级的风速最小值作为台风风速，根据台风风速计算台风风压和台风荷载集度，并将其作为静力荷载作用于桥梁迎风面的横桥向。

表1 台风等级和台风风速取值

2.2 施工阶段的选择

随着主梁悬臂施工长度的增加，台风荷载作用下内力和应力控制截面(即应变测试截面)的内力和应力逐渐增加。选取如表2所示的四个施工阶段，对不同等级台风荷载作用下应变测试截面的应力应变进行计算，并与恒载作用下的应力应变进行组合。

表2 施工阶段的选择

2.3 最不利位置分析

利用有限元模型计算各个施工阶段及成桥阶段马尾大桥主梁在18级台风荷载作用下的内力和应变。混凝土受力最不利位置可能出现在三处：(1) 主V撑上弦根部：墩梁交界位置；(2) 主V撑下弦根部：墩梁交界位置；(3) 主V撑上下弦交界位置。以成桥阶段为例，在台风荷载作用下，弯矩计算结果如图3所示，其应力计算结果如图4所示。控制截面均位于主V撑的主跨侧，截面位置如图5所示。

图3 成桥阶段：18级台风作用下的内力分布

图4 成桥阶段：18级台风作用下的应力分布

图5计算控制截面位置示意图(单位：cm)

3 分析结果和验证

3.1 应力

利用建立的有限元模型，对台风荷载作用和台风荷载与永久荷载组合作用下控制截面的应力进行计算，计算结果分别如图6和图7所示。

将C55混凝土的极限拉应力一并示于图7。从应力结果可以看出：

(1) 钢混结合段施工完成状态(施工阶段4)是主梁内力和应力的最不利施工阶段。由于此时主梁悬臂长度最大，在台风荷载作用下，主梁内力和应力最大。

图6在不同台风荷载作用下的应力(单位：MPa)

(2) 同一施工工况，在不同等级的台风荷载作用下，测试截面的应力随着台风等级的增大而增大，应力和台风等级的关系近似于线性关系。

(3) 永久荷载和台风荷载共同作用下，大桥各应变测试截面的应力不会超过C55混凝土的极限拉应力。

图7C55混凝土荷载组合下测试截面极限拉应力

3.2 台风作用下的应力实测结果

3.2.1 实桥应变测点

针对桥梁应变控制截面在台风荷载作用下可能发生的截面应变，利用振弦式应变计进行了实桥的应变测试。应变传感器采用基康4200型埋入式振弦应变计，配合四川金码远程自动应变测试系统进行台风条件下应变观测。根据应力控制截面，选择如图8所示的应变测点布置，对台风荷载作用下的截面应变进行测量，并与计算结果进行对照分析。

3.2.2 台风情况和实测结果

2018年7月11日上午9点，2018年第8号台风“玛莉亚”在福州连江登陆，登陆时中心附近最大风力有14级(42 m/s)，强度等级为强台风级。强台风“玛莉亚”风力强劲，是8月份登陆福建的最大等级台风。“玛莉亚”台风灾害共造成福建省福州等8市62个县(市、区)23.8万人受灾，17万人紧急转移安置，700余间房屋不同程度损坏，直接经济损失2.4亿元。

图8应变测点横断面布置

强台风“玛莉亚”登陆期间，马尾大桥钢混结合段施工完成。为了测试大桥在台风荷载作用下的受力情况，验证马尾大桥在恶劣的台风天气下的安全性，利用装设在桥梁上的应变传感器和应变测试系统，对“玛莉亚”作用下的大桥应变情况进行远程连续监测。每隔10 min对桥梁在台风荷载作用下的关键截面应变进行一次应变测试。

将台风荷载作用下，大桥应变测试截面的应变实测结果与有限元模型计算结果进行比较，如图10所示。比较结果表明，大桥在台风荷载作用下的应变实测结果与有限元计算结果基本一致，说明了有限元计算结果的可靠性。同时，应变实测结果比有限元计算结果略小，说明在台风荷载作用下，结构受力性能合理。

图10实桥应变实测结果与有限元计算结果的比较

4 台风响应及分析

利用建立的有限元模型，对各级台风荷载作用下，各施工阶段最大悬臂端的位移进行计算。其中，成桥状态下计算的是主跨跨中位置的最大位移。计算结果如图11和图12所示。可以看出：

(1) 钢混结合段完成状态是抗台受力时主梁悬臂位移的最不利施工阶段。钢混凝土结合段完成状态下，在18级台风荷载作用下，最大位移4.93 mm，小于规范规定限值Δ/L×1000=0.014 m。

(2) 同一个施工工况，在不同等级的台风荷载作用下，最大悬臂位移随着台风等级的增大而增大，位移和台风等级的关系近似于线性关系。

图11最大位移计算结果

图12不同台风等级下主梁最大位移

5 结 论

建立了大跨度钢混凝土混合连续梁桥马尾大桥的有限元计算模型，将施工过程中桥梁承受的台风荷载等效为均布静力荷载作用于桥梁迎风面的横桥向，计算大桥在台风荷载作用下的应力和位移响应。

(1) 应力计算结果表明，由于钢混结合段施工完成时主梁悬臂长度最大，此阶段是主梁内力和应力的最不利施工阶段。测试截面的应力随着台风等级的增大而增大，应力和台风等级的关系近似于线性关系。永久荷载和台风荷载共同作用下，大桥各应变测试截面的应力不会超过C55混凝土的极限拉应力。

(2) 台风荷载作用下，大桥测试截面的应变实测结果与有限元模型计算结果进行比较。比较结果表明，大桥在台风荷载作用下的应变实测结果与有限元计算结果基本一致，说明了有限元计算结果的可靠性。应变实测结果比有限元计算结果略小，说明在台风荷载作用下，结构受力性能合理。

(3) 位移计算结果表明，钢混凝土结合段完成状态下，在18级台风荷载作用下主梁最大位移小于规范规定限值。最大悬臂位移随着台风等级的增大而增大，位移和台风等级的关系近似于线性关系。