高樁承臺連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工階段風(fēng)荷載分析

高樁承臺連續(xù)剛構(gòu)橋最大懸臂施工階段風(fēng)荷載分析

1號公路樁跨海大橋是一座穿過海灘的四層混凝土的連續(xù)橋，其半徑為（60.2110.60）m。該橋主梁截面為單箱單室,箱梁頂板寬12.5m,箱梁底板寬6m,采用三向預(yù)應(yīng)力設(shè)計。主墩為211.1條帶假定式中靜風(fēng)荷載分布假定橋梁足夠長而且是平直的,則橋梁任一斷面的風(fēng)荷載相同,這一假定稱為條帶假定式中靜風(fēng)荷載分布見圖2。在大跨度橋梁抗風(fēng)分析中,對于一般較剛性的橋梁,可采用基于陣風(fēng)風(fēng)速的陣風(fēng)荷載作為設(shè)計荷載,而不涉及結(jié)構(gòu)的動力特性1.2施工階段的設(shè)計風(fēng)速設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速式中根據(jù)“全國基本風(fēng)壓分布圖”,可得該橋橋址處基本風(fēng)速為48.1m/s,橋址處地表類別為A,地表粗糙度系數(shù)為0.12,主梁梁頂距海平面的高度為17.5m,可以換算出橋梁主梁的ν施工階段的設(shè)計風(fēng)速按10a重現(xiàn)期計算,得到設(shè)計風(fēng)速為ν式中ν則ν施工階段陣風(fēng)風(fēng)速νν式中則ν在橫向風(fēng)作用下主梁單位長度上的橫向靜陣風(fēng)荷載的計算公式為式中在橫向風(fēng)作用下橋墩單位長度的靜陣風(fēng)荷載的計算公式為式中由于31.3懸臂最不利截面的最大風(fēng)載力對采用樁基礎(chǔ)的橋梁進行建模計算時,一般認(rèn)為樁基礎(chǔ)對橋梁的變形及受力影響很小,在建模時可以忽略樁基礎(chǔ)的影響,僅將墩底固結(jié)于承臺。但對于采用高承臺樁基的剛構(gòu)橋來說,由于髙樁的影響,上部結(jié)構(gòu)受荷載作用時會引起樁基變形,并且地基土也會對樁基產(chǎn)生抗力,進而對整個結(jié)構(gòu)的位移和變形產(chǎn)生約束。該橋2=式中模型中樁—土之間采用節(jié)點彈性連接模擬土彈簧,將樁基土層分為不等厚的6層,經(jīng)過計算,土層1～6的土彈簧剛度分別為441MN/m,1323MN/m,2205MN/m,4851MN/m,5733MN/m,6615MN/m。通過在模型上加載風(fēng)荷載,利用有限元方法可得到陣風(fēng)作用下橋梁內(nèi)力。在計算時沒有考慮陣風(fēng)荷載的豎向分力對主梁的影響,這是因為該橋橋面雖有1.5%的橫坡和3.6%縱坡,但整體來看仍是對稱結(jié)構(gòu)。同時也忽略了陣風(fēng)荷載的扭轉(zhuǎn)作用,因為在α較小的情況下,陣風(fēng)荷載的扭轉(zhuǎn)作用比較小,且主梁采用抗扭剛度較高的箱型截面。為了偏安全地計算懸臂施工階段結(jié)構(gòu)的風(fēng)載內(nèi)力,在正確計算風(fēng)荷載后,根據(jù)最不利截面可能產(chǎn)生的最大風(fēng)載內(nèi)力,考慮到各種最不利的情況,分以下3種加載方式進行加載,見圖3。方式1:在懸臂左、右兩邊按相同的風(fēng)壓加載,并考慮作用在橋墩上的橫向風(fēng)力,以計算橋墩墩底截面及懸臂根部截面的最大橫橋向彎矩和剪力。其受力情況為:結(jié)構(gòu)自重+鋼束預(yù)應(yīng)力+陣風(fēng)荷載。方式2:考慮到風(fēng)場的不均勻性,在懸臂左、右梁端分別按1,0.6倍的不均勻風(fēng)壓加載,以計算橋墩墩底截面的扭矩和彎矩。其受力情況為:結(jié)構(gòu)自重+鋼束預(yù)應(yīng)力+陣風(fēng)荷載。方式3:對有龍卷風(fēng)襲擊地區(qū)的橋梁,在懸臂兩端都施加100%風(fēng)荷載,不過兩端力的方向相反。其受力情況為:結(jié)構(gòu)自重+鋼束預(yù)應(yīng)力+陣風(fēng)荷載。通過加載計算,得到該橋在最大懸臂狀態(tài)下,最不利截面產(chǎn)生的最大內(nèi)力及位移見表1,產(chǎn)生的最大應(yīng)力見圖4～6(圖中應(yīng)力單位為MPa)。從計算結(jié)果可以看出,在以上3種工況中,工況1懸臂端最大側(cè)向位移為3.6cm,工況2為11.1cm,工況3為32.5cm。由圖4～6可以看出,在應(yīng)力計算中,工況1和工況2所產(chǎn)生的拉、壓應(yīng)力均沒有超過標(biāo)準(zhǔn),其中工況1和工況2在樁頂與承臺連接處迎風(fēng)側(cè)分別產(chǎn)生了1.29MPa和1.27MPa的拉應(yīng)力,2種工況在主梁懸臂根部及橋墩墩底均沒有產(chǎn)生拉應(yīng)力。與工況1和工況2一樣,在工況3的計算中,主梁懸臂根部及橋墩墩底仍然為壓應(yīng)力,但是在樁頂與承臺連接處迎風(fēng)側(cè)出現(xiàn)了4.43MPa的拉應(yīng)力,超過了C55混凝土抗拉強度。因為在工況3中,主梁懸臂端兩側(cè)風(fēng)荷載作用方向相反,其墩底產(chǎn)生了35353kN·m的扭矩,此扭矩在樁頂與承臺連接處產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力,超過混凝土強度要求。但工況3的加載方式在現(xiàn)實中很難出現(xiàn),但在施工過程中遇到較大的不均勻風(fēng)速時應(yīng)采取一定的抗風(fēng)措施。2風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)失穩(wěn)穩(wěn)定性分析由于大跨度橋梁日益廣泛地采用高強度材料和薄壁結(jié)構(gòu),穩(wěn)定問題更加重要,已經(jīng)與強度問題具有同等重要的意義在上述陣風(fēng)荷載作用下,根據(jù)圖7～9可知,該橋最大懸臂狀態(tài)的第1階失穩(wěn)模態(tài)均為面內(nèi)側(cè)向失穩(wěn),且主要為樁基失穩(wěn)。一般認(rèn)為穩(wěn)定系數(shù)為6時,結(jié)構(gòu)具有足夠的安全儲備。3種工況計算所得的臨界荷載系數(shù)均為33,結(jié)構(gòu)穩(wěn)定系數(shù)較大,說明在結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性分析中,風(fēng)荷載的加載方式對橋梁的穩(wěn)定性影響較小,對結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性起控制作用的是恒載、施工荷載等。3臨界風(fēng)速取值通過計算可知,該橋在最大懸臂狀態(tài)時的扭轉(zhuǎn)基頻為3.71Hz。根據(jù)文獻或者式中臨界風(fēng)速取式(1),(2)計算結(jié)果較小者。式(1)中ν顫振檢驗風(fēng)速的計算公式為[式中則[ν因顫振臨界風(fēng)速大于顫振檢驗風(fēng)速,因此在自然界風(fēng)速作用下不會發(fā)生顫振失穩(wěn)現(xiàn)象。4靜風(fēng)穩(wěn)定性驗算本文主要介紹了某跨海大橋最大懸臂階段靜力風(fēng)荷載與靜風(fēng)穩(wěn)定性的計算方法。通過計算分析,得出了該橋最大懸臂施工階段在各種風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力、位移及應(yīng)力,并對顫振穩(wěn)定性及最大雙懸臂狀態(tài)的靜風(fēng)穩(wěn)定性進行了驗算,計算結(jié)果表明:1)在內(nèi)力、位移分析中,風(fēng)荷載的大小及作用方式對主梁、主墩及樁基強度和位移影響比較大,因此在強度計算時須考慮風(fēng)荷載的作用。2)該跨海大橋施工階段具有足夠的安全穩(wěn)定系數(shù),