六沖河特大橋斜拉橋設(shè)計

六沖河特大橋斜拉橋設(shè)計

1主橋結(jié)構(gòu)概況貴州省黔西南路六橫河特大橋位于貴州省西部南約26公里處，距織金縣約24公里。這座橋的所在地約為235米。主橋為195m438m195m?；炷链怪睉宜飨到y(tǒng)斜橋，全長1088m，寬24.1m，距水面343.6m。如圖1所示，這是中國最大的傾斜混凝土橋。為保證此類超高、大跨度橋梁在整個施工期間以及成橋運營過程中的抗風安全,對大橋主橋開展了抗風性能試驗研究工作,本文總結(jié)了六沖河特大橋抗風性能研究的部分研究成果。2橋面基準高度橋位區(qū)位于云貴高原的中部,處于亞熱帶高原氣候區(qū),由于大氣環(huán)流和地形的影響,氣候類型較復雜,垂直變化十分明顯。對于山區(qū)地形的超高、大跨度斜拉橋,現(xiàn)有的風特性參數(shù)模型不適用于此類大橋的抗風設(shè)計,應(yīng)根據(jù)具體橋址地形適當調(diào)整。根據(jù)六沖河大橋橋址周圍環(huán)境,橋面離水面高度約為343.6m,橋位10m高度處基本風速V10=25.8m/s,考慮到橋位處地形呈V字形,局部起伏較大,如以跨中橋面距離地面或水面高度來計算橋面高度處設(shè)計基準風速過于保守。對于地表起伏較大的山區(qū)地形,橋面基準高度宜采用統(tǒng)一的等效橋面高度Ze來描述,根據(jù)主梁跨中側(cè)向位移等效原則來確定橋面設(shè)計基準風速的等效橋面高度Ze。據(jù)此,最終確定設(shè)計基準風速和相關(guān)風特性參數(shù)見表1。3有限元模型建立對該橋的成橋狀態(tài)和施工過程中最大雙懸臂、最大單懸臂分別進行了結(jié)構(gòu)動力特性計算分析。根據(jù)主橋結(jié)構(gòu)總體布置及構(gòu)造特點,采用ANSYS通用有限元分析軟件,建立空間有限元模型,如圖2所示。主梁為π形斷面,采用空間梁單元(BEAM4單元)模擬。橋塔采用空間梁(BEAM4單元)單元,拉索采用單向受拉桿(LINK10)單元。橋面系用質(zhì)量點單元模擬,考慮平動質(zhì)量和質(zhì)量慣矩。結(jié)構(gòu)的約束條件為:兩個橋塔的承臺底面完全固結(jié);在輔助墩及過渡墩處為豎向支撐。施工狀態(tài)時橋塔與主梁固結(jié)。分析結(jié)果如下。3.1扭彎頻率分布加勁梁一階對稱豎彎頻率為0.305Hz,扭轉(zhuǎn)頻率為0.591Hz,扭彎頻率比為1.94。加勁梁一階反對稱豎彎頻率為0.404Hz,扭轉(zhuǎn)頻率為0.750Hz,扭彎頻率比為1.86。3.2施工最大單懸臂頻率施工最大雙懸臂狀態(tài),加勁梁一階對稱豎彎頻率為0.634Hz,稱扭轉(zhuǎn)頻率為0.834Hz,扭彎頻率比為1.32。施工最大單懸臂狀態(tài),加勁梁一階對稱豎彎頻率為0.320Hz,扭轉(zhuǎn)頻率為0.623Hz,扭彎頻率比為1.95。依據(jù)《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》(JTG/TD60-01—2004)計算,橋梁顫振穩(wěn)定性指數(shù)計算成橋狀態(tài)4.31,最大雙懸臂和最大單懸臂狀態(tài)分別為3.06和4.09,即顫振穩(wěn)定性宜通過風洞試驗進行檢驗。4主梁斷面選取通過采用計算流體動力學(CFD)技術(shù)進行主梁及橋塔截面阻力系數(shù)的計算,調(diào)整結(jié)構(gòu)構(gòu)造尺寸,優(yōu)化結(jié)構(gòu)的抗風性能。計算的原理是采用離散的數(shù)值方法求解橋梁斷面在運動狀態(tài)下的渦量場及速度場分布,并根據(jù)渦動力學理論獲取作用在主梁斷面上的氣動力。通過對比計算分析,最終主塔采用了切角的多棱形斷面,主梁橫向采用了迎風面傾斜的π形斷面。優(yōu)選后的橋塔斷面相對于矩形斷面其風阻系數(shù),0°風向角由平均值1.152降低至平均值0.951;90°風向角由平均值1.106降低至平均值0.852;優(yōu)選后的主梁斷面相對于矩形斷面其風阻系數(shù),由平均值1.302降低至平均值1.227,較大的減小了結(jié)構(gòu)風荷載效應(yīng)。圖3、圖4所示為計算過程中的流場顯示圖片。5節(jié)段模型風洞試驗六沖河特大橋位于山區(qū)峽谷風環(huán)境,橫橋向橋面高度來流風攻角按-5°~+5°范圍考慮。試驗在均勻流場中進行,采用直接試驗法對成橋及施工最大單懸臂狀態(tài)進行了-5°、-3°、0°、+3°和+5°等5種攻角的豎彎和扭轉(zhuǎn)兩自由度耦合顫振試驗。圖5為節(jié)段模型風洞試驗?zāi)Ｐ?。根?jù)實橋主梁斷面尺寸、風洞試驗段尺寸和直接試驗法的要求,選取節(jié)段模型比例為1/70。表2為桁架斷面不同氣動措施節(jié)段模型顫振試驗結(jié)果。從表2中結(jié)果分析比較可知:成橋狀態(tài)5個風攻角對應(yīng)的顫振臨界風速均超過100m/s,能夠滿足成橋狀態(tài)顫振檢驗風速61.5m/s的要求;施工最大雙懸臂狀態(tài)的顫振臨界風速也均滿足顫振檢驗風速58.6m/s的要求;施工最大單懸臂狀態(tài)的顫振臨界風速也均滿足顫振檢驗風速59.9m/s的要求。6單橋群型該橋成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的渦激共振試驗分別在均勻流場中進行,試驗風攻角為-5°~+5°。參照《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》(JTG/TD60-01—2004),成橋狀態(tài)下豎彎渦振及扭轉(zhuǎn)渦振允許振幅分別為:在試驗過程中,當各工況換算實橋風速達到100m/s時,均未有渦激共振現(xiàn)象發(fā)生。對于渦激共振現(xiàn)象,由于均勻流場比紊流場更加不利,因此不需要對紊流場中的渦激共振現(xiàn)象進行再次試驗。7靜風穩(wěn)定性分析靜風穩(wěn)定性分析的成熟方法是增量與內(nèi)外兩重迭代相結(jié)合的方法。非線性包括幾何、材料、靜風非線性等3種。對于靜風穩(wěn)定性分析而言,關(guān)注的是幾何大位移和靜風荷載相互作用下的穩(wěn)定性問題,靜風失穩(wěn)剛剛發(fā)生時,結(jié)構(gòu)仍處于彈性范圍內(nèi),因此,可以不必考慮材料非線性。對于六沖河特大橋而言,靜風穩(wěn)定性分析以零風速、結(jié)構(gòu)恒載作用為起始狀態(tài),風速步長5m/s,臨近靜風失穩(wěn)臨界風速時縮短風速步長,低松弛因子取0.35。以扭轉(zhuǎn)角達到+5°或-5°為靜風扭轉(zhuǎn)發(fā)散標志,得到靜風失穩(wěn)臨界風速,計算結(jié)果如圖6所示。計算結(jié)果表明,當風速達到120m/s時,均大于施工最雙單懸臂49.1m/s與成橋檢驗風速49m/s,各工況仍未有靜風失穩(wěn)發(fā)生,結(jié)構(gòu)安全可靠。8主要試驗結(jié)果(1)對于山區(qū)地形的超高、大跨度橋梁,風特性參數(shù)模型應(yīng)根據(jù)具體橋址地形適當調(diào)整。(2)結(jié)構(gòu)動力特性與顫振穩(wěn)定性指數(shù)分析表明,本橋的顫振穩(wěn)定性宜通過風洞試驗檢驗。(3)通過數(shù)值模擬計算優(yōu)選主梁與索塔斷面,較大地減小了風阻系數(shù)。(4)顫振試驗結(jié)果表明:在-5°、-3°、0°、+3°和+5°等5個風攻角下,成橋狀態(tài)顫振臨界風速均超過100m/s,滿足成橋狀態(tài)顫振檢驗風速61.5m/s的要求;施工最大單懸臂狀態(tài)的顫振臨界風速也均滿足顫振檢驗風速58.6m/s的要求。(5)渦振試驗結(jié)果表