鄧雄暉，王玉銀

（1.廈深鐵路廣東有限公司，518031 廣東深圳;2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，150090 哈爾濱）

大跨鋼桁梁橋加勁柔性拱施工階段抗風性能

鄧雄暉1，王玉銀2

（1.廈深鐵路廣東有限公司，518031 廣東深圳;2.哈爾濱工業(yè)大學土木工程學院，150090 哈爾濱）

為研究大跨度鋼桁梁柔性拱橋在柔性拱施工階段的抗風性能，以世界最大跨度的該類橋梁——廈深鐵路榕江特大橋為例，對柔性拱施工階段的抗風性能進行系統(tǒng)分析，研究柔性拱合攏點位置對拱肋抗風性能的影響.基于分析結(jié)果開展不同抗風措施的比選和優(yōu)化，并針對橋梁結(jié)構(gòu)特征提出新型抗風措施.結(jié)果表明，柔性拱施工階段的抗風問題突出，需要采取必要的抗風措施對結(jié)構(gòu)進行臨時抗風防護.本文提出的新型抗風措施(內(nèi)部纜索法)效果明顯，為類似工程的抗風設(shè)計提供參考.

鋼桁梁;柔性拱;鐵路橋梁;抗風;施工

近年來，高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)為鋼桁梁橋［1－4］的發(fā)展帶來了新的契機，同時，對其跨越能力的要求也不斷增大.為了提高跨越能力，鋼桁梁橋從單純的梁式橋向剛性加勁懸索鋼桁梁橋及鋼桁梁柔性拱橋等新型結(jié)構(gòu)形式不斷衍變［5］.鋼桁梁柔性拱橋由于同時具有鋼桁梁橋與鋼拱橋的優(yōu)點，顯著提高鋼桁梁橋的跨越能力，近年來得到廣泛應(yīng)用.已建成的鋼桁梁柔性拱橋包括閩江特大橋(主跨198 m)、黃河特大橋(主跨132 m)和京滬高鐵黃河大橋(主跨168 m)等多座鐵路橋梁(見圖 1)［6］.

廈深鐵路榕江特大橋是一座在建的下承式鋼桁梁柔性拱橋，跨度組合為110 m+220 m+220 m+110 m.建成后，將成為世界上最大跨度的鋼桁梁柔性拱組合橋.鋼桁梁由帶豎桿N型三角桁架拼接而成，節(jié)間長度11.0 m，其中邊跨由10個節(jié)間組成，中跨由20個節(jié)間組成.鋼桁架節(jié)間高度和寬度均為15.0 m，斜腹桿傾角為53.7°，主橋立面布置如圖2所示.

圖1 典型鋼桁梁柔性拱橋

圖2 榕江橋立面布置圖(單位:m)

為了增加鋼桁梁的跨越能力，梁體上部采用柔性拱進行加勁以提高梁體剛度.柔性拱按二次拋物線布置，矢高(上弦以上)44.0 m，矢跨比1/5.榕江橋所處場址位于臺風區(qū)，該地區(qū)設(shè)計基本風壓0.95 kPa，5～10月常有臺風，風力一般在10級以上.以2009年為例，該地區(qū)共經(jīng)受大小臺風及強熱帶風暴22次，最大風速達38 m/s.因此，榕江橋在懸臂拼裝施工過程中很有可能遭受臺風的襲擊，尤其是柔性拱在合攏之前距水面高度最大達97 m，施工階段抗風問題突出，必須對拱肋的吊裝方案進行充分的抗風驗算并采取可行的抗風措施以保證該橋在施工階段能夠抵抗臺風的侵襲［7－10］.

1 有限元模型及風荷載

1.1 有限元模型

采用橋梁設(shè)計有限元軟件 MIDAS(CIVIL2006)建立了榕江橋鋼桁梁及上部鋼拱吊裝施工的有限元模型，采用梁單元建立鋼桁梁的桁架桿件及拱肋桿件，采用板單元建立橋面系(見圖3).鋼桁梁桁架桿件和橋面系鋼材強度等級均為Q370qE，容許應(yīng)力220 MPa，材料彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比ν=0.3.

圖3 榕江特大橋有限元模型

1.2 風荷載計算

橋梁建設(shè)地點的基本風壓按百年一遇基本風壓0.95 kPa取值，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)規(guī)定，風載體形系數(shù)取1.3，風壓高度變化系數(shù)取1.37，地形、地理條件系數(shù)取1.3，對應(yīng)的設(shè)計基準風壓為2.2 kPa，相應(yīng)的設(shè)計基準風速為59.3 m/s.根據(jù)《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60－01—2004)規(guī)定，施工階段的設(shè)計風速應(yīng)根據(jù)施工周期與臺風出現(xiàn)頻率進行折減.根據(jù)榕江橋施工特點及施工單位要求，取風速重現(xiàn)期為10 a對應(yīng)的折減系數(shù)0.84，即施工階段的設(shè)計風速為49.8 m/s.脈動風場基于蒙特卡洛(Monte－Carlo)法生成，動力時程分析中阻尼比取為0.005.

2 拱肋合攏位置優(yōu)化

柔性鋼拱外形與普通鋼拱相同，但受力性能存在顯著差異:在豎向平面內(nèi)，鋼拱承受通過吊桿(方鋼管)傳來的部分豎向荷載;在水平方向，鋼拱與鋼管吊桿共同抵抗水平荷載.因此，柔性拱的抗風性能由鋼拱和鋼管吊桿的水平抗彎剛度綜合決定.這導(dǎo)致合攏位置的不同會顯著影響結(jié)構(gòu)的抗風性能，因為鋼拱的面外抗彎剛度隨著吊裝節(jié)段的增加而降低，而鋼管吊桿的抗彎剛度則在吊裝至拱頂位置時最低(此時懸臂高度最大).為了綜合確定柔性拱的抗風性能，并選擇合理的合攏位置，需針對合攏位置對柔性拱抗風性能的影響進行驗算.

根據(jù)現(xiàn)場的施工條件和構(gòu)件的運輸條件，柔性拱采用60 t架梁吊機吊裝施工，按25 m范圍內(nèi)起吊能力60 t設(shè)計.吊機采用單桅桿方案，自質(zhì)量約200 t.根據(jù)現(xiàn)場條件，選擇自兩邊跨向中跨方向吊裝柔性拱(見圖4).合攏點自拱頂?shù)焦澳_共9個位置，編號如圖5所示.在沒有任何抗風措施情況下，拱肋在動風荷載作用下的最大應(yīng)力如圖5所示.可以看出，此時各合攏位置對應(yīng)的拱肋最大應(yīng)力均已超過設(shè)計允許應(yīng)力220 MPa，其中工況4對應(yīng)的應(yīng)力最大，達335 MPa.這是因為，側(cè)向風荷載作用下，未合攏的拱肋在豎向和水平向均為懸臂梁的受力狀態(tài)，豎向彎曲應(yīng)力和水平彎曲應(yīng)力的耦合作用在工況4時達到最大值.相反，最大應(yīng)力在工況6以后明顯降低且變化幅度趨緩.因此，根據(jù)抗風性能和吊車施工需要，選擇應(yīng)力較低工況7位置進行拱肋合攏，如圖4(b)所示.

圖4 柔性拱吊裝方案示意圖

圖5 拱肋在動風荷載作用下的最大應(yīng)力

3 抗風措施比選及優(yōu)化

3.1 抗風措施比選

通過以上分析可知，在無任何抗風措施條件下，拱肋在動風荷載作用下的峰值應(yīng)力已超過設(shè)計允許應(yīng)力，因此，必須采取必要的抗風措施改善結(jié)構(gòu)的受力性能.根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特征及現(xiàn)場條件提出以下抗風措施并對其有效性進行比選:

1)外部纜索法.常用于各類橋梁，尤其是拱橋施工階段的抗風措施中，將鋼絞線纜索一端連接于拱肋，另一端錨固于河床上，如圖6(a)所示.

2)內(nèi)部纜索法.是針對柔性拱結(jié)構(gòu)特點提出的新型抗風措施，將鋼絞線纜索一端連接于拱肋，另一端錨固于橋面系桁架弦桿上，如圖6(b)所示.

圖6 兩種抗風措施示意圖

采用相同截面尺寸(直徑12.7 mm)、相同布置位置(均為拱頂和合攏位置)和相同數(shù)量(20根)的纜索對拱肋進行抗風驗算，拱肋最大應(yīng)力、最大變形與無抗風措施情況下的計算結(jié)果如表1所示.可以看出，內(nèi)部纜索法可以更加有效地改善拱肋的抗風性能，同時降低拱肋的最大應(yīng)力和最大位移.這是因為與外部纜索法相比，內(nèi)部纜索法所需纜索長度較短，纜索的線剛度明顯大于外部纜索，故而增加了結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗彎剛度.除受力性能方面的優(yōu)勢外，內(nèi)部纜索法較外部纜索法材料用量更少，且施工方便易行，故選擇該方案作為本工程的抗風措施.

表1 抗風措施對比

3.2 抗風纜索布置位置與數(shù)量比選

上文的分析將20根纜索布置于同一位置，但在實際施工過程中，同一位置可布置的纜索數(shù)量有限，因此，需要對纜索的具體布置位置和數(shù)量進行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)受力合理且經(jīng)濟性能較好.柔性拱在側(cè)向風荷載作用下，決定其側(cè)向剛度的部位主要是拱頂位置(懸臂高度最大)和合攏點位置(懸臂長度最大)，因此，纜索布置于這兩個區(qū)段內(nèi)，如圖7中的a－e吊桿之間.具體設(shè)置了以下4種布置方法:

針對以上4種工況開展動力時程分析，計算結(jié)果見表2.可以看出，方案4對柔性拱的抗風性能改善作用最大，因此，選擇該方案作為本項目的抗風布置方案.

圖7 抗風纜索布置示意圖

表2 不同纜索布置方案對應(yīng)風致動力響應(yīng)結(jié)果

4 結(jié)論

1)柔性拱的抗風性能由鋼拱和鋼管吊桿的水平抗彎剛度綜合決定，這導(dǎo)致合攏位置的不同會顯著影響結(jié)構(gòu)的抗風性能:拱肋最大動應(yīng)力隨合攏位置的偏移(自拱頂?shù)焦澳_)先增大后減小，且在離拱頂3個吊桿間距時達到最大值.

2)柔性拱在未合攏前抗風能力最弱，在無任何抗風措施條件下，任何合攏位置的拱肋最大動應(yīng)力均超過設(shè)計允許應(yīng)力，因此，柔性拱在施工過程中必須采取抗風措施.

3)本文提出的新型抗風措施(內(nèi)部纜索法)效果顯著，適合作為類似工程的抗風措施.

［1］BIGNELL J L，M LAFAVE J，HAWKINS N M.Seismic vulnerability assessment of wall pier supported highway bridges［J］.Engineering Structures，2005，27(14):2044－2063.

［2］CETINKAYA T，NAKAMURA S，TAKAHASHI K.A static analysis-based method for estimating the maximum out-of-plane inelastic seismic response of steel arch bridges［J］.Engineering Structures，2006，28(5):635－647.

［3］SPYRAKOS C C，RAFTOYIANNIS I G，ERMOPOULOS J C.Condition assessment and retrofit of a historic steel-truss railway bridge［J］.Journal of Constructional Steel Research，2004，60(8):1213 －1225.

［4］AZIZINAMINI A.Full scale testing of old steel truss bridge［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002，58(5/6/7/8):843－858.

［5］YANG Hua，LIU Changyong，SUN Ying，et al.Wind suction effect on long span stiffened steel truss bridges during erection［J］.Journal of Constructional Steel Research，2012，71:38－51.

［6］王鈺.大跨度鋼桁梁柔性拱組合橋施工階段抗風性能分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學學報，2011，43(Sup 2):344－348.

［7］SHAMA A A，MANDER J B，CHEN S S，et al.Ambient vibration and seismic evaluation of a cantilever truss bridge［J］.Engineering Structures，2011，23(10):1281－1292.

［8］MEHTA S.Evaluation and retrofit issues for steel truss bridges in Eastern united states［J］.Bridge Engineering ASCE，2010，15(5):581－596.

［9］POPOV O A，MONOV B N，KOMOUKHOV G P，et al.Standard structural solutions in steel bridges［J］.Journal of Constructional Steel Research，1997，46(1/2/3):60－61.

［10］BOSCH H R.Aerodynamic stability of a truss-stiffened cable-stayed bridge［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1990(36):1331－1340.

Wind-resistant behavior of long-span steel truss bridge during construction of flexible arches

DENG Xiong-hui1，WANG Yu-yin2

(1.Xiamen Railway Co.Ltd，518031 Shenzhen，Guangdong，China;2.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

To investigate the wind-resistant behavior of long-span steel truss bridge during construction of flexible arches，taking the world's longest steel truss bridge with flexible arches as an example，the influence of closure position on the wind-resistant behavior has been studied，and based on the analysis results，different wind-resistant measures are proposed and compared，and an innovative measure is proposed according to the mechanical characteristics of this bridge.The results show that the protection against wind damage should be placed in a prominent position especially during the erection of the flexible arches.The innovative measure is effective，and provides reference to similar projects.

steel truss;flexible arches;railway bridge;wind-resistant;construction

TU973

A

0367－6234(2012)04－0145－04

2012－01－20.

國家自然科學基金資助項目(51178146);鐵道部科技攻關(guān)重點項目(2010G004).

鄧雄暉(1964—)，男，工程師.

王玉銀，wangyuyin@hit.edu.cn.

(編輯 劉 彤)