高墩连续刚构桥施工地形风致响应研究

董康康,闫亚光

（河北工程大学,河北 邯郸 056000）

0 引言

高墩大跨连续刚构桥通常承担着穿越山丘峡谷的作用，受自然风的影响比较明显，可见对复杂地形下桥址风环境特性的研究不能忽视。桥梁悬臂施工过程中，主梁刚度较小。另外由于桥梁结构施工时采用悬臂浇筑法，当施工进行到双悬臂端部都到达两端顶部时，主桥结构刚度达到最小，主桥结构周围受静风和紊流作用的影响会产生不可忽视的抖振响应。抖振可能会引起主桥结构施工过程中的变形等问题，存在施工隐患，也会影响成桥质量[1]；在成桥阶段，抖振会影响桥梁上的行车安全性以及行人舒适度，甚至会引起疲劳破坏，缩短桥梁使用寿命。因此了解结构的最不利位置的内力状况，以便及时采取维护措施，保证施工安全，提高桥梁使用年限[2]。

1 基本理论

1.1 脉动风场模拟

截至目前，关于脉动风场模拟主要采用：谐波合成法（WAWS）[3]、该征正交法（POD）[4]、线性滤波法（AR或ARMA）[5]以及小波变换法[6]。其中谐波合成法可以对脉动风场进行高精度的模拟计算，运用谐波合成法对大桥主桥结构进行模拟计算。

水平脉动风速谱表达式为[7]：

竖直脉动风速谱表达式为：

式中，f——莫宁坐标；u*——表面摩阻速度；n——风的频率；z——测点距地面的高度。

互谱矩阵[8]如下所示：

由于脉动风的空间相关性，则：

式中，Cn——n方向（n=x，y，z）的衰减因子；——i，j两点在n方向上的距离。

1.2 节点抖振力计算

运用转换公式将脉动风速样本转化为抖振力，抖振力转换公式如下[9]：

式中，Lb、Db、Nb——抖振升力、阻力、扭矩；U，ρ——风速和空气密度；u，w——水平与竖直脉动风速；αs——风攻角；B——主桥宽度；AD，AL——梁块的侧向和竖向投影面积；——对风攻角的导数。

2 主桥结构有限元模型研究

2.1 CFD数值模拟

运用Gambit软件对各梁块模型采用二维处理，将梁块二维模型所在区域划分并命名为梁块模型模块，采取0.4尺寸的非结构化网格对梁块模型模块区域进行网格划分，如图1所示。剩余计算域可采用尺寸1.5的较大网格尺寸[10]，如图2所示。篇幅所限，以主梁跨中典型梁块15#截面为例来进行网格划分的说明。

图1 梁块模型模块网格划分

图2 计算域整体网格划分示意图

在Fluent中运用变化的风攻角来模拟计算出不同梁块截面的三分力系数，限于篇幅，列举15#梁块截面的静力三分力系数值如表1所示。

表1 各风攻角下15#梁块截面的静力三分力系数

将三分力系数与风攻角进行函数拟合，并对其拟合函数进行一阶求导。如下式所示。

2.2 脉动风场模拟

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T 3360-01—2018）[11]规定，取当地十年重现期风速27.7 m/s进行计算。主梁设计基准高度z=80 m，风速沿高度变化的修正系数[12]k1B=1.0×（d/10）0.16=1.395。则主梁设计基准风速νd=k1B×ν10=38.64 m/s。风速时程取1 000 s，间隔为0.2 s，地表分类属B类场地，粗糙度系数为0.16。在主桥结构上顺桥向布置60个测点。限于篇幅，只列举出主桥结构跨中15#梁块截面的脉动风速时程，如图3和图4所示。

图3 水平脉动风速时程

图4 竖直脉动风速时程

以上部分计算出了主桥结构各梁块的静力三分力系数以及水平、竖直向的脉动风速时程，在此基础上运用抖振力计算理论可以计算出抖振力时程，限于篇幅，这里不再叙述。最后在Midas软件中将节点抖振力时程施加到主桥结构模型上。

2.3 抖振响应结果及分析

主桥结构典型部位的梁块标号示意图如图5所示。表2和表3是主桥结构部分典型梁块单元的抖振位移与内力峰值数据。

表2 典型梁块单元的抖振位移峰值

表3 典型梁块单元的抖振内力峰值

图5 韩城河大桥重点单元位置

由表2可知，主桥结构31梁块单元的DY与DZ是最大的，最大值分别为9.815 mm和0.913 mm，RX相对较小。主桥结构更易受横桥向来风的影响，DY位移较大，DZ与RX均很小。31梁块所受竖桥向剪力与扭矩作用都不大，但是DY偏大，这表明主桥跨中部位相对于其他位置更易受到抖振响应的影响。

由表3可知，主桥结构3单元梁块的横桥向剪力值最大，为285.9 kN；主桥结构的竖桥向剪力出现在39单元，最大值为219.4 kN；结构受轴力影响作用很小；主桥结构横桥向弯矩最大值出现在39单元上，峰值为4 919.1 kN·m；主桥结构竖桥向弯矩最大值出现在4单元上，峰值为7 910.0 kN·m；主桥扭矩最大值出现在3单元，峰值为1 016.4 kN·m。因此，在主桥结构成桥阶段，桥梁桥墩附近位置处的梁块内力较大，必须引起项目施工单位重视，必要时采取措施，主桥结构这些靠近桥墩位置处的梁块单元更容易在抖振力的长期作用下受到不良影响。

3 结论

（1）主桥结构各梁块中，偏移位移量最大的部位是跨中梁块，这个部位的横桥向位移、竖桥向位移以及扭转位移值都是所有梁块中最大的。横桥向来风对主桥结构影响很大，产生位移较大，竖桥向位移及扭转位移都很小。跨中梁块截面承受抖振剪力与扭矩作用相对较小，但是跨中产生的位移最大，表明跨中梁块单元对比其他梁块单元更易受到抖振响应的影响。

（2）主桥结构更易受横桥向抖振剪力和竖向抖振弯矩的影响，主桥结构最大竖桥向剪力、横桥向剪力、横桥向弯矩以及竖桥向弯矩都出现在主桥结构桥墩附近位置的梁块，靠近主桥结构桥墩位置的梁块单元内力值较大。桥梁结构这些不利位置都要引起足够重视，长期抖振力作用下不利位置处的桥梁构件更容易发生疲劳损坏等安全隐患。