风荷载作用下斜拉桥悬臂施工力学性能分析*

2020-08-08王达李龙阁刘旺

公路与汽运 2020年4期

王达，李龙阁，刘旺

(长沙理工大学土木工程学院，湖南长沙 410114)

斜拉桥具有跨越能力大、受力合理等特点，被大量用于跨河跨海桥梁建设中。跨海大跨度桥梁的地理环境及自然气候较复杂，对施工进程及安全性有重大影响，其中台风的影响更显著，在大悬臂状况下受风荷载影响桥梁很可能产生受力破坏甚至失稳，需采取抗风安全措施。华强等通过桥塔每侧设2对下拉索+电涡流摆式TMD抗风措施来提高斜拉桥的抗风稳定性；张新军等通过增大地锚段主梁长度及边跨设置辅助墩来减小主梁位移，进而增强其抗风稳定性；李宗平通过增设临时墩来提高斜拉桥的抗风稳定性。目前大跨度桥梁在风荷载作用下一般采取增设临时墩的方法减小最大悬臂长度，提高桥梁的抗风安全性能。该文以广东水东湾跨海斜拉桥为工程背景，对主桥边跨设与不设临时墩两种工况进行仿真分析，研究在最大悬臂状况下受台风影响时临时墩对其抗风安全性能的影响，验算结构在最不利荷载组合下的应力及位移。

1 工程概况

水东湾跨海特大桥全长约3.333 km，按公路-Ⅰ级标准设计，双向六车道。主桥总长628 m，跨径布置为150 m+328 m+150 m，采用双塔双索面预应力砼梁半漂浮体系。在索塔处，主梁竖向设置2个双向活动支座，并在主梁和塔柱之间设置横向抗风支座；在每侧过渡墩处，主梁竖向设置1个双向活动支座和1个单向活动支座。为提高结构的动力性能，在每个塔梁连接处设置2套纵向限位阻尼器，全桥共4套纵向限位阻尼器。主桥立面布置见图1。

图1 水东湾大桥主桥立面布置(单位：高程为m，其他为cm)

主梁采用PK断面预应力砼，C55砼，其横断面见图2。斜拉索采用高强平行钢丝拉索，其抗拉标准强度为1 770 MPa，梁端斜拉索索距有7和4.4 m两种，标准节段长7 m，边跨现浇段长27 m，中跨合龙段及边跨合龙段长均为2 m。主梁中心线处梁高3.2 m，边箱底板宽8.9 m，中间桥面板宽18 m，全宽35.8 m。横桥向主梁底板水平，桥面设2%双向横坡。标准横断面顶板厚30 cm，水平底板厚60 cm，斜底板厚28 cm，中腹板厚40 cm。采用前支点挂篮悬浇，在边跨合龙前的大悬臂施工阶段处于台风期，为保证施工安全，在边跨处设置临时墩。

图2 水东湾大桥主梁横断面(单位：高程为m，其他为cm)

2 临时墩设置原则及目的

在大跨径斜拉桥悬臂施工过程中，由于索塔两侧的主梁在悬臂浇筑或吊装时间上存在一定偏差，且主梁各截面设计构造尺寸较大，悬浇砼的重量较大，会产生较大的不平衡荷载，使塔梁受到不平衡弯矩的作用。通过塔梁临时锚固的措施可抵抗该不平衡弯矩，使其由塔柱和基础来承受。需注意的是，当双悬臂达到一定长度(150 m以上)时，由于这种不平衡荷载的作用，索塔尤其是索塔根部区域将产生巨大的倾覆力矩，若有落梁及横桥向强风等非正常荷载情况发生，则可能导致塔梁受力破坏特别是索塔结构损害。因此，当桥梁跨径较大，双悬臂浇筑较长，特别是在恶劣环境下施工时，在不影响通航的情况下在主梁的适当位置增设临时墩。在主梁施工过程中，将主梁与临时墩临时锚固，临时墩可约束主梁横向、竖向位移，一旦发生落梁或横桥向强风等突发危险，墩梁锚固对主梁的约束作用可改善塔梁受力状况，进而增强其抗风安全性能。该桥位于水东湾壶口地带，台风来临时受台风影响较大且主梁施工正好达到大悬臂状态，故在主梁边跨12#阶段(距主塔92 m处)增设临时墩。

3 风荷载分析

3.1 基本风速确定

茂名市电白沿海区域是台风登陆多发区，每年受台风影响约3次，最多一年7次。6—10月台风出现的次数占全年90%以上，其中8—9月最频繁，占全年50%以上，且风速较大，影响范围广。沿海地区风力大都在9级以上，并伴有大雨或暴雨。分析近几年该地区台风登陆情况，确定主梁需承受的风荷载按施工阶段设计风速取为42 m/s。

3.2 主梁风荷载

3.2.1 主梁等效静阵风

根据文献[12]，静阵风风速Ug按式(1)计算，其值为54.18 m/s。

Ug=GvUz

(1)

式中：Gv为静阵风系数，即考虑地面粗糙度、风荷载加载长度和构件离地高度等因素后的阵风系数，取1.29(A类地表，按较高值取值)；Uz为基准高度z处的风速(m/s)，施工阶段设计风速取42 m/s。

3.2.2 主梁上静阵风荷载

由于横向风的作用，在主梁上将产生竖向升力,一旦索塔两侧主梁上不平衡升力矩超过索塔的承受能力,主梁将倾覆。根据文献[12]，静阵风产生的升举力按式(2)计算。风速为42 m/s时，横向静阵风产生的升举力Fv=0.5×1.25×54.182×0.5×35.8/1 000=32.84 kN/m。

(2)

式中：Fv为风作用在主梁单位长度上的升举力(N/m)；ρ为空气密度；Cv为升举系数，根据规范取较大值0.5；B为桥梁断面宽度。

3.3 主塔风荷载

3.3.1 主塔等效静阵风

根据文献[12]，静阵风风速按式(3)计算。风速为42 m/s时，Vg=1.19×42=49.98 m/s。

Vg=GvVd

(3)

式中：Gv按规范取较大值1.19。

3.3.2 主塔顺桥向等效静阵风荷载

根据文献[12]，静阵风荷载按式(4)计算。风速为42 m/s时，Fg=0.5×1.25×49.982×2.0×700/120=18.21 kN/m。

(4)

式中：CD为构件阻力系数，根据抗风规范取较大值2.0。

4 抗风性能计算分析

4.1 计算模型

根据文献[12]，在悬臂施工阶段需对主梁最大悬臂状态进行分析计算，还应考虑不对称风荷载加载情况，不对称系数取0.5。考虑两种最不利加载工况(见图3、图4)进行计算分析，其中：工况一为不设置临时墩，按最不利情况布载；工况二为设置临时墩，按最不利情况布载。同时应用有限元软件MIDAS/Civil建立最大双悬臂状态下三维计算模型(见图5)。

图3 工况一下计算简图

图4 工况二下计算简图

图5 有限元计算模型

4.2 计算参数

最大双悬臂状态下，索塔高120 m，悬臂长121 m；索塔材料为C50砼，主梁为C55砼，砼容重26 kN/m，挂篮自重3 500 kN，中跨16#块配重1 200 kN，施工阶段设计基准风速为42 m/s。考虑施工阶段荷载(包括自重、预应力、挂篮荷载和压重)和风荷载的共同作用，依据规范要求计算结构位移和应力，计算中不考虑单悬臂挂篮发生掉落的情况。

4.3 计算结果分析

工况一未设临时墩，按索塔倾覆最不利情况布载，索塔与主梁截面外缘应力见图6，索塔与主梁位移见图7。由图6可知：索塔塔柱根部砼截面外缘出现拉应力最大值2.58 MPa，大于容许值1.83 MPa；最大压应力为17.3 MPa，小于容许值22.4 MPa。主梁砼截面外缘无拉应力，截面上缘最大压应力为7.75 MPa，小于容许值24.4 MPa。由图7可知：索塔塔顶最大偏位214 mm，边跨主梁最大悬臂端位移为-382 mm，中跨主梁最大悬臂端位移为167 mm(位移以向上为正、向下为负)。

图6 工况一下主梁与索塔砼截面外缘最大应力云图(单位：MPa)

图7 工况一下主梁与索塔位移云图(单位：mm)

工况二设置临时墩，按索塔倾覆最不利情况布载，索塔与主梁截面外缘应力见图8，索塔与主梁位移见图9。由图8可知：索塔塔柱根部砼截面外缘出现拉应力最大值0.54 MPa，小于容许值1.83 MPa；最大压应力为13.3 MPa，小于容许值22.4 MPa。主梁砼截面外缘无拉应力，截面上缘最大压应力为7.07 MPa，小于容许值24.4 MPa。由图9可知：索塔塔顶最大偏位16 mm，边跨主梁悬臂端最大位移为-70 mm，中跨主梁悬臂端最大位移为-89 mm(位移以向上为正、向下为负)。