大跨徑斜拉橋風(fēng)荷載計算方法的比較研究

大跨徑斜拉橋風(fēng)荷載計算方法的比較研究

對于大型斜壩橋，傾斜壩、橋塔和主梁的風(fēng)荷載可以控制在設(shè)計中。斜壩風(fēng)負(fù)荷的計算是否正確重要重要?，F(xiàn)有的《道路橋梁抗風(fēng)設(shè)計指南》只規(guī)定了斜壩的設(shè)計趨勢，不包括斜壩的風(fēng)負(fù)荷。在這種情況下，作者結(jié)合蘇通長江航道的公路大橋分析了斜壩的靜風(fēng)負(fù)荷計算方法。1斜拉靜風(fēng)負(fù)荷計算方法1.1斜拉索風(fēng)荷載計算方法現(xiàn)代大跨徑斜拉橋一般采用密索體系,由斜拉索引起的風(fēng)荷載對斜拉橋關(guān)鍵截面響應(yīng)有較大的影響,筆者針對兩種斜拉索風(fēng)荷載計算模式進(jìn)行討論.斜拉索在風(fēng)荷載的作用下,如圖1所示,其計算模式有兩種:一種是在建立有限元模型時,將斜拉索分成多段來考慮,風(fēng)荷載直接作用在斜拉索的節(jié)點上(計算方法1);另一種是斜拉索風(fēng)速采用跨中主梁斷面與橋塔塔頂?shù)钠骄叨忍幍娘L(fēng)速,按此計算斜拉索風(fēng)荷載,然后將斜拉索上的風(fēng)荷載平均分配到斜拉索的兩個端部節(jié)點(計算方法2).針對計算方法2,在進(jìn)行分析時,作如下符號規(guī)定:FA為斜拉索上風(fēng)荷載分配到斜拉索與主梁交點上的部分;FB為斜拉索風(fēng)荷載分配到斜拉索與橋塔交點上的部分;F為斜拉索上總的風(fēng)荷載.1.2斜拉索轉(zhuǎn)導(dǎo)系統(tǒng)的c針對計算方法2,取斜拉索平均高度處的風(fēng)速作為斜拉索的設(shè)計風(fēng)速,對應(yīng)斜拉索上的風(fēng)荷載則為均布荷載,考察其端點沿水平方向的反力,從而得到斜拉索上的風(fēng)荷載在兩個端點上的分配關(guān)系,所選斜拉索的基本參數(shù)見表1.從圖2可以看出,橫橋向風(fēng)荷載作用下,若不計斜拉索設(shè)計風(fēng)速計算誤差,斜拉索上的風(fēng)荷載分配到其兩端的荷載與斜拉索上總的風(fēng)荷載比例不隨斜拉索初應(yīng)變的變化而變化,因此將斜拉索上的風(fēng)荷載直接作用到斜拉索上的兩個節(jié)點上是合理的.1.3斜拉索風(fēng)荷載計算方法的合理性在順橋向風(fēng)荷載作用下,斜拉索上的風(fēng)荷載簡化計算方法是直接將作用在斜拉索上的風(fēng)荷載平均到斜拉索與橋塔、主梁的交點上,這種計算方法在什么樣的條件下是合理的,值得研究.筆者分別針對圖3所示的兩種工況,在橋位基本風(fēng)速為38.9m·s-1的前提下,討論斜拉索風(fēng)荷載在兩端分配比例與斜拉索初應(yīng)變、傾角的關(guān)系.1.3.1斜拉索初應(yīng)變大時的載從圖4可以看出,不論風(fēng)是指向斜拉索上升方向還是指向斜拉索下降方向,作用在斜拉索上的風(fēng)荷載只有當(dāng)斜拉索的初應(yīng)變較大時(>0.8%)才可以近似地平均分配到斜拉索的兩個端點上.而實際上斜拉索的初應(yīng)變一般在0.3%左右,對于本文所研究的傾角為25.4°的斜拉索,此時作用在斜拉索上的風(fēng)荷載不但全部作用在斜拉索與主梁交接的點處,同時對橋塔還有反向“拉”的作用.1.3.2斜拉索傾角的影響針對表1所示的斜拉索,在初應(yīng)變?yōu)?.00268時,研究對應(yīng)端部風(fēng)荷載分配比例與傾角的關(guān)系.通過分析可得到順橋向風(fēng)荷載作用下斜拉索端部荷載分配比例隨斜拉索傾角的變化曲線,從圖5可以看出,當(dāng)斜拉索傾角位于15°~45°或135°~175°之間,初應(yīng)變?yōu)?.3%左右時,作用在斜拉索上的風(fēng)荷載主要分布在主梁上,且可能出現(xiàn)對橋塔反向的“拉”的作用,而不是計算方法2中的“壓”的作用.當(dāng)且僅當(dāng)斜拉索傾角為90°時,兩者的荷載分配才是平分的.綜合以上分析,可以表明,對于橫橋向風(fēng)荷載作用下,作用在斜拉索上的風(fēng)荷載可以平均地分配到其兩個端點上;而順橋向風(fēng)荷載作用下,斜拉索上的風(fēng)荷載只有在極少的情況下才可以平均分配到兩個端點上,對于大多數(shù)斜拉索由于其傾角一般在20°~90°之間,成橋狀態(tài)斜拉索應(yīng)變?yōu)?.3%左右,對于大部分斜拉索一般不宜采用簡化方法(計算方法2)來計算斜拉索順橋向風(fēng)荷載效應(yīng).2采用不同的計算方法對傾斜橋的靜風(fēng)負(fù)荷進(jìn)行了比較分析2.1跨連續(xù)鋼箱梁-斜拉索橋以蘇通長江公路大橋為例來研究斜拉橋靜風(fēng)荷載不同計算方法的差別.蘇通長江公路大橋主橋為7跨連續(xù)鋼箱梁雙塔斜拉橋,主梁采用全封閉扁平流線型鋼箱梁,寬41.0m,主梁中心線處高度4.0m,跨徑布置100m+100m+300m+1088m+300m+100m+100m,斜拉索采用平行鋼絲,塔高300.4m.2.2橋塔阻力驗算斜拉索用分段索單元模擬,橋塔、橋墩、主梁及樁基礎(chǔ)用梁單元模擬,建立有限元模型如圖6所示.主梁三分力系數(shù)通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗來得到,試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1∶70,試驗風(fēng)速為v∞=12m·s-1,在+3°攻角時主梁三分力系數(shù)為:CD=0.9791,CL=-0.1471,CM=0.0642.由于橋塔為變截面的倒Y型橋塔,故分別選上、中、下塔柱的典型斷面來計算橋塔阻力系數(shù),阻力系數(shù)定義為CD=FD12ρv2∞H(4)CD=FD12ρv∞2Η(4)式中:FD為橋塔方向每延米阻力;v∞為來流風(fēng)速;ρ為空氣密度;H為橋塔塔柱橫風(fēng)向的特征尺寸,分別為9.0,10.8,15.0m,橋塔阻力系數(shù)分布如圖7所示.斜拉索阻力系數(shù)取為CD=0.8.2.3橋面風(fēng)荷載作用按表2所列的兩種計算模式進(jìn)行計算,并將計算結(jié)果與全橋模型試驗進(jìn)行了對比分析,如圖8~11所示,其中橫坐標(biāo)vdeck為橋梁橋面高度處設(shè)計風(fēng)速.從圖8~11可以看出,斜拉索的風(fēng)荷載計算模式對計算結(jié)果影響較大,將風(fēng)荷載作用到斜拉索分段節(jié)點上的計算結(jié)果與試驗較為吻合;對于主跨千米級的斜拉橋,當(dāng)橋面設(shè)計風(fēng)速較小時,將作用在斜拉索上的風(fēng)荷載作用近似分配到對應(yīng)斜拉索與橋塔、主梁錨固點上所引起的誤差較小;而當(dāng)橋面設(shè)計風(fēng)速較大時,斜拉索風(fēng)荷載計算方法2導(dǎo)致計算結(jié)果偏大.3斜拉索分段節(jié)點上的風(fēng)荷載響應(yīng)分析通過對大跨徑斜拉橋斜拉索靜風(fēng)作用計算方法的研究,可以得到如下結(jié)論:(1)在橫橋向風(fēng)荷載作用下,若不考慮斜拉索設(shè)計風(fēng)速簡化計算誤差,斜拉索上的風(fēng)荷載以斜拉索的平均高度處的風(fēng)速作為設(shè)計風(fēng)速,由此計算得到的斜拉索風(fēng)荷載可以平均分配到斜拉索與橋塔、主梁對應(yīng)的節(jié)點上.(2)順橋向風(fēng)荷載作用下,斜拉索上的風(fēng)荷載只有在極少的情況下才可以平均分配到兩個端點上,對于大多數(shù)斜拉索由于其傾角一般在20°~90°之間,斜拉索初應(yīng)變?yōu)?.3%左右,故一般不宜采用簡化的方法來計算斜拉索順橋向風(fēng)荷載效應(yīng),而應(yīng)將風(fēng)荷載直接作用在斜拉索分段節(jié)點上.(3)從成橋狀態(tài)橫橋向風(fēng)荷載響應(yīng)計算比較可以看出,斜拉索設(shè)計風(fēng)速計算誤差對計算結(jié)果影響較大,考慮斜