潤揚(yáng)長江公路大橋南橋貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性研究

1投資新設(shè)計(jì)理念在大跨徑懸索橋施工中的應(yīng)用潤陽長江大橋南側(cè)新橋主跨徑為1890米。作為懸索橋架設(shè)施工中十分關(guān)鍵的柔性結(jié)構(gòu),施工貓道對(duì)風(fēng)的作用較為敏感,因而其抗風(fēng)穩(wěn)定性問題是必須研究的。潤揚(yáng)長江公路大橋橋位江面開闊,根據(jù)氣象資料,設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速達(dá)29.1m/s。在自然風(fēng)力作用下,貓道結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性和振動(dòng)對(duì)結(jié)構(gòu)及施工人員安全、施工作業(yè)條件及工程質(zhì)量均有重要影響。為了節(jié)省材料、工期及費(fèi)用,同時(shí)保證滿足通航要求,潤揚(yáng)長江公路大橋施工貓道將采用無抗風(fēng)索的結(jié)構(gòu)形式。在大跨徑懸索橋施工中采用該項(xiàng)施工新技術(shù),需要解決的首要問題是如何確保貓道結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)安全性和減小振動(dòng)。危及貓道抗風(fēng)安全性的主要因素是結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性,對(duì)抗風(fēng)穩(wěn)定性做出準(zhǔn)確的評(píng)估和采取合理的提高抗風(fēng)穩(wěn)定性的措施是保證貓道抗風(fēng)安全性的前提。關(guān)于貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性評(píng)估,目前國內(nèi)外通常采用的方法有:①利用貓道整體模型,通過風(fēng)洞試驗(yàn)直接考察抗風(fēng)穩(wěn)定性。②貓道節(jié)段模型測(cè)量靜力系數(shù)與數(shù)值模擬計(jì)算相結(jié)合的方法。第1種方法雖能全面反映結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的靜力、動(dòng)力及幾何非線性行為,但對(duì)于大跨懸索橋施工貓道而言,其要求風(fēng)洞尺寸較大,費(fèi)用也較高。第2種方法,可采用尺度較大的模型,能夠較為精確地測(cè)量貓道承受的風(fēng)荷載,采用非線性有限元方法對(duì)貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行數(shù)值計(jì)算具有良好的精度,便于進(jìn)行抗風(fēng)措施的研究?？紤]風(fēng)向與橋軸正交的狀態(tài)時(shí)可僅測(cè)量靜力三分力系數(shù),如要考慮非正交風(fēng)作用下的貓道穩(wěn)定性,則應(yīng)測(cè)量其靜力六分力系數(shù)。采用上述第2種方法對(duì)潤揚(yáng)長江公路大橋南汊橋施工貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析。分析表明,該橋施工貓道發(fā)生靜力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速遠(yuǎn)高于貓道靜力失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速,因而其在橫橋向風(fēng)作用下抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性安全。2貓道的安裝參數(shù)2.1貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性不利狀態(tài)根據(jù)貓道設(shè)計(jì)資料,貓道線形平行于主纜在空纜狀態(tài)時(shí)的中心線;架設(shè)鋼箱梁之前,將貓道懸掛于主纜之下,并放松貓道承重鋼絲繩兩端的錨頭,貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性不利狀態(tài)應(yīng)為架梁之前施工主纜階段。貓道承重纜矢高與主纜空纜矢高均為135.362m,每條貓道由10根?54承重纜、扶手繩(?20和?16兩種)、絲網(wǎng)、門架等組成,計(jì)算中貓道承重纜的彈性模量取為E=1.3×105MPa。貓道的各設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。2.2設(shè)計(jì)風(fēng)速的確定根據(jù)風(fēng)速資料,潤揚(yáng)長江公路大橋場(chǎng)地風(fēng)速剖面的冪指數(shù)為α=0.14,在成橋狀態(tài)下,橋面高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為Vd=29.1m/s,施工階段取重現(xiàn)期為10年,設(shè)計(jì)風(fēng)速為Vsd=24.4m/s。據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南》的規(guī)定,相應(yīng)的陣風(fēng)風(fēng)速為陣風(fēng)系數(shù)乘以設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速,根據(jù)場(chǎng)地類別,陣風(fēng)系數(shù)取1.38,即有陣風(fēng)風(fēng)速為Vsg=1.38Vsd=33.6m/s。為了保證貓道在施工過程中的安全,其發(fā)生靜力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速須高于其施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的陣風(fēng)風(fēng)速。3空氣力模型設(shè)計(jì)試驗(yàn)作用于貓道上的靜力風(fēng)荷載與貓道的靜力三分力系數(shù)有關(guān),因此,首先進(jìn)行貓道靜力三分力系數(shù)的測(cè)定試驗(yàn)。靜力三分力系數(shù)的測(cè)定可由靜力節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得,該橋施工貓道的節(jié)段模型采用1∶6的幾何縮尺比,由于貓道所受的空氣力主要作用在鋼絲網(wǎng)上,其大小又主要取決于鋼絲網(wǎng)的透風(fēng)率,因而在模型設(shè)計(jì)中,除了滿足結(jié)構(gòu)總體幾何相似之外,還使模型上篩網(wǎng)的透風(fēng)率與實(shí)型上的透風(fēng)率盡量一致。試驗(yàn)在西南交通大學(xué)單回流串聯(lián)雙試驗(yàn)段工業(yè)風(fēng)洞(XNJD-1)第二試驗(yàn)段中進(jìn)行,試驗(yàn)測(cè)量了均勻流條件下的靜力三分力系數(shù),為了考查雷諾數(shù)的影響及保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性,試驗(yàn)風(fēng)速取以下3個(gè)不同風(fēng)速進(jìn)行,每個(gè)風(fēng)速時(shí)又進(jìn)行多次重復(fù)性試驗(yàn)。試驗(yàn)風(fēng)速為:V=10,20,30m/s,試驗(yàn)攻角范圍為:α=-20～+20°,Δα=2°。試驗(yàn)表明,3種風(fēng)速下所得的三分力系數(shù)一致性很好。圖1給出了貓道的靜力三分力系數(shù)(3個(gè)風(fēng)速測(cè)量結(jié)果平均值)在風(fēng)軸坐標(biāo)系下隨攻角的變化曲線。4行業(yè)分析及風(fēng)荷載利用前面試驗(yàn)所得的靜力三分力系數(shù),可計(jì)算得到貓道所受的風(fēng)荷載。貓道在受強(qiáng)風(fēng)作用時(shí),變位較大,該變位使得風(fēng)攻角也發(fā)生變化,因而風(fēng)載也隨之改變,因此,貓道抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性應(yīng)是幾何非線性、非保守的。貓道的抗風(fēng)穩(wěn)定性,就其實(shí)質(zhì)而論,是索結(jié)構(gòu)在定常風(fēng)作用下的靜力穩(wěn)定問題。決定貓道結(jié)構(gòu)是否失穩(wěn)(傾覆)的主要因素是定常風(fēng)作用在結(jié)構(gòu)上的空氣力構(gòu)成的傾覆力矩能否被結(jié)構(gòu)內(nèi)力所平衡。采用有限元法對(duì)潤揚(yáng)長江公路大橋施工貓道建模,用索單元模擬貓道承重纜和扶手繩,考慮索初始軸力對(duì)幾何剛度的影響,但索單元不能承壓。用梁單元模擬橫梁、扶手立柱、門架、橋塔等等。分析時(shí)假定:①篩網(wǎng)的剛度很小,忽略篩網(wǎng)對(duì)剛度的影響;②橋塔的變位對(duì)貓道抗風(fēng)穩(wěn)定性影響較小,可忽略;③中跨貓道與邊跨貓道可分別獨(dú)立進(jìn)行分析;④風(fēng)載沿橫橋向作用于貓道(風(fēng)向角為β=0°),不同高度處風(fēng)速按風(fēng)剖面冪指數(shù)律計(jì)算。貓道結(jié)構(gòu)抗風(fēng)非線性分析的平衡方程為式中,[K]為剛度矩陣;F{V,u,α}為廣義風(fēng)荷載,其與風(fēng)速V、攻角α及貓道變位u均有關(guān)。廣義風(fēng)荷載包括貓道上的阻力、升力和傾覆力矩,在貓道體軸系下,可表示為H為貓道高度,B為貓道寬度,ρ為空氣密度。穩(wěn)定性分析收斂準(zhǔn)則為式中,ε為給定的小量;N受風(fēng)荷載的節(jié)點(diǎn)數(shù)。經(jīng)計(jì)算可得貓道各截面處在不同風(fēng)速時(shí)的位移。其中橫向位移、豎向位移均以中跨跨中截面為最大,扭轉(zhuǎn)角則以中跨跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角為最大。中跨跨中橫向和豎向位移隨風(fēng)速的變化關(guān)系見圖2;跨中附近兩橫通道之間的小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角隨風(fēng)速的變化關(guān)系見圖3。由圖可見,當(dāng)橋面高度風(fēng)速達(dá)到71m/s時(shí),小跨跨中截面扭轉(zhuǎn)角急劇增大,表明貓道發(fā)生靜力扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)。因而,該貓道的靜力發(fā)散風(fēng)速為71m/s。該風(fēng)速已遠(yuǎn)高于相應(yīng)于施工階段設(shè)計(jì)風(fēng)速的陣風(fēng)風(fēng)速33.6m/s,因而,該貓道橫橋向風(fēng)作用下的靜力穩(wěn)定性是安全的。5橫向風(fēng)環(huán)境作用下抗風(fēng)靜力穩(wěn)定性安全對(duì)潤揚(yáng)長江公路大橋南汊橋施工貓道進(jìn)行的穩(wěn)定性計(jì)算表明,該橋施工貓道發(fā)生靜力失穩(wěn)的臨界風(fēng)速遠(yuǎn)高于貓道靜力失穩(wěn)檢驗(yàn)風(fēng)速Vsg=3