段瑞芳 聶存慶 郝憲武

(1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710018;2.西安市交通運輸管理處，陜西西安 710065;3.長安大學(xué)橋梁所，陜西 西安 710064)

0 引言

采用懸臂澆筑的高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋，橋墩越高懸臂施工的穩(wěn)定性越差，尤其當(dāng)橋梁位于風(fēng)力較大的山口時對風(fēng)作用尤為敏感。本文將采用數(shù)值模擬方法分析結(jié)構(gòu)懸臂施工過程工作人員的振動舒適性。

1 西北溝谷地形風(fēng)場基本風(fēng)速推算方法

在西部地區(qū)，多數(shù)橋址處地形復(fù)雜，而這些地區(qū)有的沒有設(shè)立氣象站，進(jìn)而缺少橋址處的氣象實測資料，橋梁的設(shè)計風(fēng)速就比較難以確定。但是在這些地區(qū)的基本風(fēng)速“不受地形、地貌的影響”的特性依然保持不變。這就給山區(qū)溝谷地形的橋址的基本風(fēng)速的確定帶來較大的困難。在這樣的情況下，就需要根據(jù)橋址附近的氣象站測得的風(fēng)速資料，來推算橋址處的設(shè)計風(fēng)速。橋梁設(shè)計風(fēng)速推導(dǎo)流程圖見圖1。

圖1 橋梁設(shè)計風(fēng)速推導(dǎo)流程圖

本文參考2009年徐洪濤在其博士學(xué)位論文中推導(dǎo)出的該處的橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速的公式［5］。計算得出實例工程橋址處“虛擬氣象站”的基本風(fēng)速為27.4 m/s。橋址處風(fēng)速的平均地形修正系數(shù)a=1.15，本文依托工程的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為:Ves=30.68 m/s。

2 結(jié)構(gòu)懸臂施工過程工作人員振動舒適性分析

對于高墩大跨剛構(gòu)橋在風(fēng)振作用下的懸臂施工過程中施工人員的舒適性及安全性研究比較少見。本章就高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在懸臂施工過程中，分別以墩高、懸臂長度、風(fēng)速為參數(shù)，分析施工人員結(jié)構(gòu)懸臂施工過程中，在動風(fēng)荷載的作用下人員振動舒適性問題，并分別以加速度和Diekemann的舒適度指標(biāo)K對結(jié)構(gòu)的振動舒適度進(jìn)行評價。

2.1 結(jié)構(gòu)模型建立分析

本節(jié)利用有限元分析軟件midas/civil2010中的時程分析，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化的動力分析。溝谷地區(qū)的風(fēng)環(huán)境分布比較復(fù)雜，高墩大跨連續(xù)剛構(gòu)橋在其懸臂施工過程中，由于墩高高度、懸臂長度以及風(fēng)速大小的不同，結(jié)構(gòu)對作用在其上的風(fēng)荷載的響應(yīng)也不同。即將作用在橋梁結(jié)構(gòu)上的風(fēng)荷載簡化為類似的沖擊荷載。

本文選擇如圖2所示的荷載模型［9］作為實例工程的動風(fēng)荷載模型，并將此風(fēng)荷載以多周期形式反復(fù)加載在結(jié)構(gòu)上。

圖2 簡化的動力荷載

且有:1/2×FM×t2=Fwh×t2。

其中，t1=10 s;t2=20 s;t3=25 s;FM為動力風(fēng)荷載時程函數(shù)最大值;Fwh為根據(jù)橋址處結(jié)構(gòu)抗風(fēng)設(shè)計風(fēng)速，計算得到的風(fēng)荷載靜力值;t1為動力風(fēng)荷載達(dá)到最大值FM的時間;t2為動力風(fēng)荷載達(dá)到最小的時間;t3為動力風(fēng)荷載作用一個周期的時間。

2.2 基于Diekemann舒適度指標(biāo)K的舒適度評價

目前，歐洲大多國家分析結(jié)構(gòu)振動對人體的影響時，多采用德國學(xué)者狄克曼Diekemann舒適度指標(biāo)。其指標(biāo)K的計算公式以及評定標(biāo)準(zhǔn)見表1，表2［8］。

表1 Diekemann指標(biāo)K計算公式

表2 狄克曼指標(biāo)K評定標(biāo)準(zhǔn)

結(jié)構(gòu)分別在墩高h(yuǎn)=30m，50m，70m，90m以及懸臂長度x=30m，50m，70m時的舒適度指標(biāo)K計算，如表3所示。

表3 各參數(shù)下的Diekemann的舒適度指標(biāo)K值

根據(jù)狄克曼舒適度指標(biāo)K評定標(biāo)準(zhǔn):計算舒適度指標(biāo)K值基本小于10(見圖3)。即:結(jié)構(gòu)上工作人員的舒適度在“能忍受短期振動”的范圍。

圖3 舒適度指標(biāo)K值隨墩高變化趨勢圖

2.3 基于加速度指標(biāo)的舒適度評價分析

由國內(nèi)外的醫(yī)學(xué)、心理以及工程方面的專家多年的實驗研究結(jié)果得知:結(jié)構(gòu)的振動頻率、加速度幅值以及振動持續(xù)時間是能否使人體感覺舒適的決定性的因素。其中振動持續(xù)時間決定于陣風(fēng)自身的特性，而振動頻率調(diào)整又比較困難，比較容易掌握的是結(jié)構(gòu)的加速度幅值。加速度對人體舒適性的影響如表4所示。

表4 加速度對人體舒適性的影響

1)在不同的墩高、懸臂長度下結(jié)構(gòu)的振動分析。分別以不同的橋墩高度、懸臂長度為參數(shù)，對實例工程進(jìn)行簡化的動風(fēng)荷載時程分析，結(jié)構(gòu)的豎向、橫向的加速度及位移變化曲線見圖4，圖5。

圖4 結(jié)構(gòu)橫向及豎向加速度的變化趨勢

圖5 結(jié)構(gòu)橫向及豎向位移的變化趨勢

2)在不同的風(fēng)速作用下結(jié)構(gòu)的振動分析。橋梁懸臂施工過程中的工作人員多暴露在外部環(huán)境中，沒有遮擋。根據(jù)風(fēng)級、風(fēng)速和征象對照表:在8級大風(fēng)下“迎風(fēng)步行感到阻力甚大”。同時，在JGJ 215-2010建筑施工升降機(jī)安裝、使用、拆卸安全技術(shù)規(guī)程中指出，塔吊、升降機(jī)安裝過程中的風(fēng)速不得大于13 m/s，施工升降機(jī)頂部風(fēng)速大于20 m/s時不得使用施工升降機(jī)。綜合可知在風(fēng)速超過20 m/s時，大風(fēng)對暴露在外部的人員的安全影響很大，尤其是處在高空作業(yè)的人員，在此風(fēng)速下，結(jié)構(gòu)需停止施工，工作人員盡快撤離到安全位置。

選用在前面推算得到的橋址處的抗風(fēng)設(shè)計風(fēng)速U1=30.68 m/s。根據(jù)基本風(fēng)速等級得出:在六級風(fēng)速下的最大風(fēng)速U2=13.8 m/s以及八級最大風(fēng)速U3=20.7m/s，在這三種風(fēng)速下討論結(jié)構(gòu)的橫、豎向加速度以及橫、豎向位移的變化。詳細(xì)結(jié)果見表5。

表5 不同風(fēng)速對T形剛構(gòu)的影響

綜合以上分析結(jié)果顯示:結(jié)構(gòu)在施工階段中，不同的橋墩高度、懸臂長度以及風(fēng)速狀態(tài)，在動風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)在最大懸臂處產(chǎn)生的橫向、豎向最大的加速度以及位移均不同:隨著懸臂長度及墩高的增加，結(jié)構(gòu)的最大橫向、豎向加速度以及最大橫向、豎向位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢，且結(jié)構(gòu)的橫向加速度及位移影響比豎向的加速度及位移要更為明顯。

基于加速度為評價指標(biāo)的分析結(jié)果:結(jié)構(gòu)在簡化的動風(fēng)荷載作用下最大的橫向加速度為(3.16E-2)m/s2，最大的豎向加速度為(7.62E-3)m/s2，根據(jù)加速度對人體舒適性的影響:二者均小于0.5%g，即針對實例工程的懸臂施工階段，結(jié)構(gòu)的振動對工作人員的影響較小，沒有使人感到不適。

3 結(jié)語

通過采用簡化的動力風(fēng)荷載計算結(jié)果顯示:隨著墩高的增高、懸臂長度的伸長以及風(fēng)速的增大，結(jié)構(gòu)的橫向、縱向加速度及豎向、橫向位移呈現(xiàn)增大的趨勢。且橫向的加速度和位移變化更顯著。結(jié)構(gòu)的最大加速度小于人們能感受到的限值，即結(jié)構(gòu)的振動對工作人員的影響較小。但Diekemann舒適度評價指標(biāo)K值接近“能忍受短期振動”的限制，若出現(xiàn)大風(fēng)天氣，建議停止施工，安排工作人員盡快離開施工現(xiàn)場。

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