施工期大跨连续刚构抗台风构造设计与分析

邓崇涛，杨冬平

(浙江工业大学 建筑工程学院 杭州市 310014)

0 引言

台风是台州比较频繁的气象灾害，对大跨桥梁结构，尤其是对处于施工状态下的桥梁造成巨大威胁，保证施工状态的抗风安全，对主桥结构开展抗风性能研究是完全必要的。杨宇聪，李鑫[1]针对一座跨越台风区的大跨度斜拉桥施工期的最大单悬臂状态，设置两根抗风索进行加固，抑制抖振效果明显。阎卫国[2]通过计算和试验研究，对新疆赛吾迭格尔超窄悬索桥的抗风稳定性进行了分析，得出原设计抗风方案不满足规范的结论，并推荐了抗风措施方案。张晓江[3]对岳口汉江特大桥主桥施工状态和运营阶段的抗风性能进行了研究，验证了主梁断面抗风满足设计要求。何旭辉[4]对芜湖长江公路大桥施工期和运营期的抗风安全性的抗风性能进行了研究，结果表明设置刚性连接杆可有效提高其动力性能。胡涛[5]针对钢混凝土结合梁悬索桥，提出在主梁边箱设置稳定板的措施，可提升梁的抗风稳定性。以上抗风措施多在设计阶段已考虑在内，不需考虑安装和拆卸的复杂工序，且也不一定适用于各种桥型和实际工况。处于风区，因工期延误及其他各种原因所致无法在预定工期内完成合龙的需要采取临时抗风措施的桥型[6-7]，应结合现场实际情况采用既能保证结构安全，且安装拆卸方便的抗风措施。

台州健跳港大桥由于左右两幅挂篮横梁施工间距未合理控制，使施工过程中左右两幅不能同时施工，必须进行错位施工，进而导致工期延误，无法按预定工期在风期前完成合龙，如图1所示。本研究以该桥施工风期抗台构造方案设计为背景，从有效提高结构整体刚度的角度及现场实际情况出发，提出新型的利用挂篮孔搭设横向劲性骨架和桁架，将结构连为整体，方便安装拆卸的安全经济的抗台临时加固方案。结合工期可能出现的最不利工况，利用Midas对桥梁结构动力特性、施工状态的静风荷载进行验算，并对两种方案进行比较。

1 工程概况

抗台构造设计以浙江省台州健跳港特大桥为背景。桥梁采用(85+160+85)m的预应力钢筋混凝土(C50)连续刚构，边中跨比0.53，墩台均采用径向布置。箱梁为变截面连续箱梁，箱梁根部梁高9.5m，跨中和端部梁高3.5m，梁高按1.8次抛物线变化，挑臂长度3.65m。

2 风荷载计算

2.1 基本风速

桥位处的基本风速即离地面或水面10m高度，平均百年一遇年最大风速为V10=42.7m/s。从安全角度考虑，健跳港特大桥最长双悬臂状态抗台构造计算采用100年重现期基本风速。

2.2 设计基准风速

健跳港特大桥桥位处的基本风速与浙江省气候中心的椒江口处的基本风速一致。因此根据椒江口处的数据，取健跳港特大桥桥位处风速剖面指数在60m及以下高度为α=0.158，在60m以上高度为α=0.120。健跳港特大桥的设计基准风速公式为:

(1)

式中，z表示离开地面或水面的以m为单位的高度。健跳港特大桥跨中桥面设计标高(左幅)34.54m，平均低潮位高程-1.84m，跨中桥面距水面高度为36.38m，成桥状态设计基准风速为52.4m/s。

2.3 静阵风风速

静阵风风速计算公式为:

Vg=GvVd

(2)

式中,Gv表示静阵风系数，与水平加载长度和地表类别有关；Vd表示不同高度处的设计基准风速。健跳港特大桥最长双悬臂状态水平加载长度158m，静阵风系数按B类地表确定为1.298，桥面高度静阵风风速为68.0m/s。主梁各梁段及桥墩所受静风荷载见表1。

表1 主梁各梁段及桥墩静风荷载

3 抗风构造设计

3.1 抗风构造设计思路

刘榕等[8]对大跨度分离式高墩连续刚构的抗风性能研究中指出大跨连续刚构最大双悬臂状态的振动频率往往较低，在施工状态及成桥状态需要做相应的减振措施。杨敏[9]、陶天友[10]对大跨度3塔、4塔悬索桥风致抖振研究中指出抖振是桥梁抗风的主要控制因素，且对应于桥梁的低阶频率。故本研究抗风措施从以下三点进行设计：

(1)大跨连续刚构抗风横桥向抖振位移较大，是抗风的主要控制性因素。

(2)桥梁的纵向抗弯抗剪刚度主要取决于混凝土箱梁，通过连接中跨最大悬臂端可以提升结构的动力性能。

(3)抖振功率谱的主峰值一般与第一阶固有频率相对应。

3.2 抗风构造方案设计

本方案针对具体工况和地理环境，设计横向劲性骨架支撑和桁架结构支撑两种设计方案，对最大悬臂端进行加固，把左右两幅连接为整体来增大结构整体刚度，从而抵抗横风和和竖风对结构的影响，有效抑制抖振，并利用挂篮孔作为锚固点，方便安装以及后续的拆卸，如图3、图4所示。

支撑安装位置尽可能靠近悬臂端，横向劲性骨架支撑根据挂篮孔间距进行布置，桁架支撑用钢量较大仅在最大悬臂端布置。弦杆可分段制作，现场拼接，缀板仅在横撑处每2.4m设置一个安装孔，以确保下弦杆的稳定性，安装完成后在枕梁下灌注灌浆料使之与箱梁抗剪。

4 有限元分析

4.1 计算工况

考虑到现场实际施工进度情况，风荷载的计算工况左幅边中跨均合龙、右幅边中跨均未合龙。合龙状态如图5所示。计算模型包括0～23号箱梁梁段、桥墩。主梁和桥墩均采用梁单元，支撑材料均为16#工字钢，桥墩底部采用固结，主梁和桥墩采用刚性连接,静阵风风速以均布荷载形式按表1加载。

4.2 动力计算结果分析

使用Midas对健跳港特大桥施工状况的最不利状态进行结构动力特性的分析，图6为三种工况的模型自振频率对比，结果表明施加更加均匀的横向劲性骨架的一阶频率明显提高，双悬臂结构整体刚度得到了增强，可降低抖振的影响；仅在最大悬臂端施加桁架支撑的一阶频率仅反对称频率得到了提高。由动力分析结果可知横向劲性骨架支撑能更有效地提高结构动力性能。

4.3 静风计算结果分析

横向风荷载作用计算结果见表2和图7～图9所示，从结果可以看出施加桁架支撑可以降低主梁位移约为0.85cm，施加横向劲性骨架支撑可以降低主梁悬臂端0.96719cm。两种抗台构造在静风作用下降低主梁位移基本相同。

表2 横向风荷载作用下主梁最大位移计算结果

5 结论

以健跳港特大桥连续刚构在最大悬臂施工遭遇台风为研究对象，提出了大型连续刚构抗台可供参考的相关构造，得到了以下四点结论：

(1)由于周围有局部受力构造设计，可以充分利用挂篮行走孔作为抗台临时加固构造的锚固点；

(2)在静风荷载作用下，横向劲性骨架支撑和桁架支撑临时抗风措施均能增大结构整体刚度，减小最不利位置位移从而抵抗侧风作用对结构的影响；

(3)在结构动力响应方面，横向劲性骨架支撑增大结构低阶自振频率，可以有效抑制抖振对结构的不利影响，而桁架支撑仅反对称频率有提高，但用钢量大，效率不高，且造价较高。

(4)从结构安全、施工便捷及经济角度考虑，建议大型连续刚构优先选用横向劲性骨架支撑作为临时抗风措施。