大跨度斜拉桥悬臂施工抗风措施研究

2024-02-09林苡琛周磊

科技资讯 2024年24期

摘"要：大跨度斜拉桥悬臂施工过程中在风荷载作用下会产生较大的侧向位移，影响斜拉桥的线性与受力性质。通过在大跨度斜拉桥最大悬臂状态下布置斜拉索，在不影响斜拉桥预拱度的情况下控制其侧向位移。以某悬臂施工的斜拉桥为例，利用有限元软件建立全桥的有限元模型，加入等效计算的风荷载和斜拉索。计算分析布置斜拉索的数量及最适合的角度范围。其中，布置角度为20°～25°和30°～35°之间的2对斜拉索时，对斜拉桥侧向位移控制程度较高并且对斜拉桥预拱度产生不利影响较低，为提高悬臂施工的斜拉桥施工阶段的抗风性能提供了参考。

关键词：斜拉桥"悬臂施工"抗风措施"有限元分析

Research"on"Wind"Resistance"Measures"for"Cantilever"Construction"of"Long-Span"Cable-Stayed"Bridges

LIN""Yichen1""ZHOU"Lei2

1.Department"of"Architectural"Engineering，"Hebei"Vocational"University"of"Industry"and"Technology，"Shijiazhuang，"Hebei"Province，"050000"China;2."Hangzhou"East"New"City"Construction"Investment"Co.，"Ltd.，"Hangzhou，"Zhejiang"Province，"310000"China

Abstract："In"the"cantilever"construction"process"of"long-span"cable-stayed"bridge，"significant"lateral"displacement"will"be"generated"under"the"action"of"wind"load，"which"affects"the"linearity"and"mechanical"properties"of"cable-stayed"bridge."By"arranging"stay"cables"in"the"maximum"cantilever"state"of"the"long-span"cable-stayed"bridge，"its"lateral"displacement"is"controlled"without"affecting"the"pre-camber"of"the"cable-stayed"bridge"as"much"as"possible."In"this"paper，"a"cable-stayed"bridge"with"cantilever"construction"is"taken"as"an"example，"and"the"finite"element"model"of"the"whole"bridge"is"established"by"using"finite"element"software，"and"the"equivalent"calculation"of"wind"load"and"the"designed"cable-stayed"cable"are"added"to"calculate"and"analyze"the"number"of"cables"and"the"most"suitable"angle"range."Among"them，"when"two"pairs"of"cable-stayed"cables"are"arranged"at"angles"between"20"°～25"°"and"30"°～35"°，"the"control"of"lateral"displacement"of"the"cable-stayed"bridge"is"relatively"high"and"the"adverse"effect"on"the"pre-camber"of"the"cable-stayed"bridge"is"low，"which"provides"a"reference"for"improving"the"wind"resistance"of"the"cable-stayed"bridge"in"the"construction"stage"of"cantilever"construction.

Key"Words："Cable-stayed"bridges;"Cantilever"construction;"Wind"resistance"measures;

Finite"element"analysis

中图分类号：U445.4"""""""文献标识码：A

斜拉桥在施工阶段的抗风性能低于成桥阶段，特别是某些采用悬臂施工方法的大跨度斜拉桥在施工至最大悬臂状态时，由于横向风荷载的作用会产生较大的侧向位移。陈玉江[1]研究发现最大单悬臂状态下斜拉桥的竖向位移响应和扭转响应随风速的增加而增大。李正[2]验证了阻力系数不影响斜拉桥抗风稳定性，升力系数、扭转系数、斜拉索与桥塔风荷载、二期恒载对斜拉桥抗风稳定性有影响。简斌[3]通过风洞试验系统研究了风速、风偏角和桥塔干扰效应对施工期斜拉桥抖振响应的影响。刘旭政等人[4]研究发现增设临时风缆可使主梁竖弯基频提高22.0%～32.5%对结构扭转基频的影响效果不显著；临时风缆对主梁竖向位移和主塔顺桥向位移控制有一定作用，固定位置在主梁最大悬臂长度的80%～90%范围内的效果较好。李晔等人[5]研究发现辅助墩、斜撑、调谐质量阻尼器和抗风拉索的减振效率依次递减。刘泽举等人[6]对斜拉桥成桥与施工最大单悬臂状态进行静风失稳全过程分析。

本文以某悬臂施工的大跨斜拉桥为例，建立全桥模型，对斜拉桥在风荷载的作用下产生的侧向位移与斜拉桥悬臂端的下挠进行计算，详细比较了设置不同数量的斜拉索时不同角度的斜拉索对斜拉桥侧向位移的控制程度，以及其对预拱度产生的不利影响程度。

1"工程概况

主梁采用钢-组合箱梁，桥塔采用宝瓶型钢筋混凝土塔，桥塔建在距离黄河岸边70"m的位置处；斜拉索选用高强度平行钢丝，呈平面扇形分布，中央索面布置。塔端锚固于上塔柱以及上塔柱中的钢锚梁上，梁端锚固与钢主梁内的钢锚箱上，主桥采用塔墩固结，塔梁分离的半漂浮体系，主梁与桥塔下横梁之间设置一定数量的支座。

（1）为桥梁或构件基准高度Z处的设计基准风速；为桥梁设计基本风速，取28.6"m/s；为桥址处的地表粗糙度系数，桥址处地表粗糙度为B类，取0.16；为抗风风险系数，根据桥梁抗风风险区域，取1.02。，气动竖向力，气动扭转力矩，计算公式分别为：（2）（3）（4）（5）为空气密度，取1.25"kg/m3；为等效静阵风风速；为设计基准风速，取前文计算结果34.77"m/s；为等效静阵风系数，取1.24；为主梁横向力系数，取1.3；为主梁竖向力系数，取0.3；为主梁扭转力系数，取0.05；2"数值模拟分析

利用有限元软件建立全桥有限元模型，具体如下。主梁和桥墩采用自定义截面的梁单元进行模拟，斜拉索利用恩斯特公式修正过的等效桁架单元进行模拟。由于设置斜拉索时，选择将斜拉索锚固在桥面板上，所以，斜拉索与桥面板的连接选用一般连接中的刚性。桥墩与地面之间选择一般支撑，限制x、y、z"3个方向的位移与转动。风荷载利用节点荷载中的方向进行加载。建立的全桥模型如图1所示。

3"施工措施研究

斜拉索布置原则为：尽量选择施工现场已有的钢材作为斜拉索的材料；斜拉索布置尽量简单，尽可能减少对施工空间的影响；施工过程中，在悬臂长度较小阶段可不设置斜拉索，尽量减小由于设置斜拉索带给斜拉桥预拱度的不利影响。

3.1"布置1对斜拉索

选择设置斜拉索的角度时，如果角度过小，则会对斜拉桥的预拱度产生较大的不利影响；如果角度过大，则无法有效控制斜拉桥的侧向位移。所以，在设置1对斜拉索时，首先将角度梯度分别设置为10°、15°、20°、25°，并对斜拉桥的侧向位移和上挠进行试算，结果如表1所示。

由表1知，斜拉桥的侧向位移随着角度的增大，呈现先减小再增大的趋势，在15°时侧向位移最小，为23.51"mm，相比不加入风揽时侧向位移的28.55"mm，减少18%。由于设置斜拉索对斜拉桥下挠产生的不利影响随着角度的增加而不断减小：角度为10。时，斜拉桥上挠受到的不利影响最大，为33%；15°～25°之间时，斜拉桥预拱度受到的不利影响相对较小，分别为15%、8%、5%。

布置1对斜拉索时，综合考虑斜拉索对侧向位移的控制和自身预拱度的不利影响，可将斜拉索的角度设置在15°～20°之间，可减少20%左右的侧向位移，对自身预拱度的影响为15%左右。

3.2"布置2对斜拉索

仅布置1对斜拉索时，对斜拉桥侧向位移的控制程度较低，无法满足侧向位移较大的斜拉桥的设计要求，故考虑布置2对斜拉索。

布置2对斜拉索时，综合考虑布置2对角度不同的斜拉索之间相互影响：先从10°、30°、50°、70°、90°中任取两个度数，布置斜拉索进行试算，并通过对侧向位移的控制和斜拉桥预拱度受到的不利影响来确定斜拉索设置的大范围。不同角度的斜拉索的侧向位移计算结果如表2所示，上挠计算结果如表3所示。

由表2、表3中的数据可知，对于某一固定角度的斜拉索，其侧向位移随着另一对斜拉索角度的增大而增大，故布置2对斜拉索的角度宜选取1组较小的角度。从对斜拉桥的预拱度产生的不利影响来看：对于某一固定角度的斜拉索，其受到的不利影响随着另一对斜拉索的角度的增大而减小。但是，设置10°的斜拉索对斜拉桥的预拱度产生的不利影响较大，为37%，故尽量不设置10°的斜拉索。

从前文的计算结果可知，设置2对斜拉索时，宜采用1对斜拉索的角度为30°左右，1对斜拉索的角度为50°左右。为确定设置斜拉索的更为精确的范围，现在30°和50°范围内设置较小的角度梯度进行试算，斜拉桥侧向位移计算结果如表4所示，上挠计算结果如表5所示。

根据表4和表5的计算结果可知，选取2对斜拉索的角度越小，斜拉桥的侧向位移降低的越多。其中，选取15°和30°这一组度数的斜拉索时侧向位移最小，可减少43%。选取2对斜拉索时，布置15°的斜拉索都会对斜拉桥预拱度产生较大的不利影响，平均为21%。但是，选取20°和30°的斜拉索时，侧向位移比选取15°时仅减少3%，对斜拉桥预拱度的不利影响可降低11%。同时，考虑对斜拉桥的侧向位移控制程度与对斜拉桥预拱度的不利影响的情况下，在选取2对斜拉索时，1对斜拉索的角度为20°～25°，1对斜拉索的角度为30°～35°，侧向位移可降低40%，对预拱度产生的不利影响为10%。

3.3"布置3对斜拉索

结合布置1对和2对斜拉索时的计算结果及规律，现选择部分角度对布置3对斜拉索的情况进行试算。从20°、25°、30°、35°中选取3个角度布置斜拉索，计算斜拉桥的侧向位移和预拱度结果如下：布置20°、25°、30°的斜拉索时侧向位移为16.05"mm，上挠为50.75nbsp;mm；布置20°、25°、35°的斜拉索时侧向位移为16.16"mm，上挠为54.73"mm；布置20°、30°、35°的斜拉索时侧向位移为16.30"mm，上挠为55.93"mm；布置25°、30°、35°的斜拉索时侧向位移为17.56"mm，上挠为56.21"mm。

由计算结果可知，布置3对斜拉索时，对斜拉桥侧向位移的降低程度为43%，与布置两根斜拉索时降低的40%差别不大，且对斜拉桥预拱度的不利影响也无较大变化，故尽量不考虑布置3对斜拉索控制斜拉桥的侧向位移。

4"结语

大跨度斜拉桥在有风的状态下，施工到最大悬臂状态或接近最大悬臂状态时产生的侧向位移可通过设置不同数量和角度的斜拉索进行控制，现得出如下结论：

（1）综合考虑布置1对、2对、3对斜拉索的计算结果：布置2对斜拉索相较于布置1对斜拉索时对侧向位移的降低程度更为明显，相对布置3对斜拉索时效率更高，且对斜拉桥自身预拱度产生的不利影响也无较大变化。

（2）斜拉桥产生的侧向位移较小时，可设置1对角度在15°～20°之间的斜拉索；斜拉桥产生的侧向位移较大时，可选择设置2对斜拉索，1对斜拉索的角度宜为20°～25°，另1对斜拉索的角度宜为30°～35°。

参考文献

[1]"陈玉江.悬挂式单轨交通斜拉桥抗风性能风洞试验研究[J/OL].中外公路，1-11[2024-11-05].http：//kns.cnki.net/kcms/detail/43.1363.U.20240322.1650.003.html.

[2]"李正.宽幅不对称双塔斜拉桥施工过程抗风稳定性分析[D].石家庄：石家庄铁道大学，2022.

[3]"简斌.考虑桥塔气动干扰和斜风作用的施工期斜拉桥抖振响应研究[D].成都：西南交通大学，2023.

[4]"刘旭政，曾健峰，王丰平.大跨径斜拉桥施工阶段临时抗风措施对比分析[J].铁道工程学报，2024，41（1）：39-44，52.

[5]"李晔，黄存国，陈邦开，等.海洋强风环境钢桁梁斜拉桥施工阶段风致效应分析与振动控制[J].铁道建筑，2023，63（3）：82-87.

[6]"刘泽举.海峡大跨钢桁梁斜拉桥静动力分析及抗风稳定性研究[D].兰州：兰州交通大学，2022.