韋澤鵬

(海南省交通規(guī)劃勘察設計研究院，海南 ?？?570206)

1 工程概況

三家昌化江大橋起于東方市，終于昌江縣，為海南省環(huán)島旅游公路的亮點工程之一，橋梁跨越海南第2大河昌化江，距離入?？诩s12 km。橋位處為七級航道，技術標準采用雙向四車道一級公路，橋梁全長1 357.2 m，控制該橋梁的300 a一遇洪水位為17.28 m。三家昌化江大橋主橋為(50+3×90+50)m的斜腹板變截面連續(xù)梁，主梁采用懸臂施工。根據(jù)防洪及通航要求，主橋橋面高程最高點的高程為25.734 m，跨越河道常水位為4.5 m。橋位處100 a重現(xiàn)期的基本風速為45.1 m/s[1]。橋位所處區(qū)域為寬闊水面,從上述工程條件可知橋位處基本風速大、橋面高程高，因此針對該橋成橋期間和施工期間最大懸臂狀態(tài)在百年靜風荷載下的響應進行了分析。橋型布置及標準橫斷面如圖1、圖2所示。

圖1 橋型布置圖(單位：m)

圖2 標準橫斷面圖(單位：cm)

2 風速參數(shù)確定[1]

2.1 設計基本風速

成橋階段橋梁各構(gòu)件基準高度Z處的設計基準風速按式(1)進行計算：

(1)

式中：Ud為基準高度處的設計風速，m/s；kf為抗風風險系數(shù)；α0為橋址處地表粗糙系數(shù)；kc為地表類別轉(zhuǎn)換系數(shù)；U10為基本風速。

施工階段設計風速按式(2)計算：

Usd=ksfUd

(2)

式中：Usd為施工階段設計風速，m/s；ksf為施工期抗風風險系數(shù)。

2.2 等效經(jīng)陣風風速

等效經(jīng)陣風風速可按式(3)計算：

Ug=GvUd

(3)

式中：Ug為等效靜陣風風速，m/s，Gv為等效靜陣風系數(shù)。

2.3 主梁截面橫向力系數(shù)

主梁截面橫向力系數(shù)可按式(4)計算：

(4)

式中：CH為主梁截面橫向力系數(shù)；βd為腹板傾角；B為截面寬度；D為梁高。

2.4 主梁橫橋向風及順橋向風計算

橫橋向風作用下主梁單位長度上的等效靜陣風荷載可按式(5)計算：

(5)

式中：Fg為主梁單位長度上的等效靜陣風荷載，N/m；ρ為空氣密度，kg/m3。

主梁順橋向風取橫橋向風荷載的0.25倍。

2.5 橋墩風荷載計算

作用在橋墩上的來流風荷載可按式(6)計算(橫、順橋向通用)：

(6)

式中：Fg為構(gòu)件單位長度上的風荷載，N/m；CD為構(gòu)件阻力系數(shù)；An為構(gòu)件單位長度上順風向的投影面積。

3 風荷載計算

由于主梁高度不同，變截面主梁部分不同位置得到的阻力不同，將變截面主梁處分為5部分，第1部分為主梁0#-1#塊(梁高按5.4 m選取)，第2部分為主梁2#-3#塊(梁高按4.6 m選取)，第3部分為主梁4#-6#塊(梁高按3.7 m選取)，第4部分為主梁7#-8#塊(梁高按2.8 m選取)，第5部分為主梁剩余部分(梁高按2.4 m選取)，如圖3所示。

圖3 主梁分段圖

根據(jù)第2節(jié)的公式計算可得主梁各部分100 a重現(xiàn)期風荷載如下表：

表1 成橋階段100 a重現(xiàn)期風荷載kN/m橫橋向風荷載順橋向風荷載成橋階段施工階段成橋階段施工階段主梁110 3398 0062 5842 002主梁213 02010 0823 2552 521主梁319 05114 7534 7633 688主梁425 08219 4236 2714 856主梁530 44323 5757 6115 894橋墩墩頂(梯形加載)8 4106 92824 85620 475

4 結(jié)構(gòu)響應

連續(xù)梁主梁采用C55混凝土進行懸臂現(xiàn)澆施工，主梁采用單箱雙室斷面，墩頂節(jié)段梁高5.6 m，跨中節(jié)段梁高2 m。箱梁頂板厚30 cm，腹板厚0.6～0.8 m，底板厚0.32～0.95 m。全橋縱向預應力均采用19ΦS15.2鋼束，均采用兩端張拉。

主梁計算采用橋梁三維有限元分析綜合程序Midas進行空間桿系分析。成橋計算荷載包含100 a風速、主梁二期荷載、整體升降溫及梯度升降溫[2]，各橋墩沉降按10 mm進行組合計算，并考慮施工過程中的掛籃、配重及成橋10 a的混凝土收縮徐變。其中100 a風速在基本組合中按1.4的系數(shù)考慮荷載組合，施工階段外荷載計算僅考慮在最大懸臂階段施加風荷載，進行100 a橫風和縱風包絡分析。

使用Midas對橋梁進行風荷載分析驗算，對成橋階段及最大懸臂階段分別建立模型進行分析。

4.1 成橋階段結(jié)構(gòu)響應

4.1.1承載能力極限狀態(tài)驗算

4.1.1.1 正截面抗彎承載力驗算

主梁的正截面抗彎承載力包絡圖見圖4，驗算結(jié)果見表2。圖中外圍包絡線為主梁能承受的最大彎矩，中間曲線為結(jié)構(gòu)實際承受的彎矩。主梁跨中正彎矩最大，為133 948 kN·m；橋墩墩頂處負彎矩最大，為-601 377 kN·m。各截面處彎矩均未超過所能承受的最大彎矩，主梁正截面抗彎承載力滿足規(guī)范要求[3]。

表2 正截面抗彎承載力驗算結(jié)果極值點/單元位置rMu/(kN·m)Mn/(kN·m)驗算結(jié)果46墩頂-601 3771 038 089OK61跨中133 948205 721OK

4.1.1.2 斜截面抗剪承載力驗算

主梁的斜截面抗剪承載力包絡圖見圖5，驗算結(jié)果見表3。圖中外圍包絡線為主梁能承受的最大彎矩，中間曲線為結(jié)構(gòu)實際承受的彎矩。主梁墩頂處剪力最大，為35 428 kN。各截面處剪力均未超過所能承受的最大剪力，主梁斜截面抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

圖5 斜截面抗剪承載力驗算結(jié)果(單位：kN)

4.1.2持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁正截面抗裂驗算

主梁的正截面抗裂驗算結(jié)果見圖6?？紤]20%預應力折減后在短期效應下各截面均未產(chǎn)生拉應力，故滿足規(guī)范對全預應力混凝土主梁驗算的要求。

4.1.3持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁斜截面抗裂驗算

主梁的斜截面抗裂驗算結(jié)果見圖7。短期效應下最大主拉應力為0.72Mpa，滿足規(guī)范σtp≤0.5ftk=1.37 MPa的應力限值要求。

a)上緣應力圖

b)下緣應力圖

圖7 斜截面抗裂驗算主梁主拉應力圖(單位：MPa)

4.1.4持久狀況正常使用極限狀態(tài)箱梁正截面最大壓應力驗算

主梁正截面最大壓應力驗算結(jié)果如圖8。標準組合下箱梁正截面受壓區(qū)混凝土最大壓應力14.08 MPa，滿足規(guī)范σkc+σpt≤0.5fck=17.75 MPa的應力限值要求。

表3 斜截面抗剪承載力驗算結(jié)果極值點/單元位置rVd/kNVn/kN驗算結(jié)果46墩頂35 42856 233OK

圖8 標準組合主梁最大壓應力圖(單位：MPa)

4.2 施工階段結(jié)構(gòu)響應

施工階段對最大雙懸臂狀態(tài)進行分析，根據(jù)規(guī)范[1]要求，采用2種工況，工況1為對稱加載，工況2為橫橋向風非對稱加載，一側(cè)懸臂橫向風大小為另一側(cè)懸臂的0.5倍。100 a風荷載系數(shù)為1,進行荷載組合。取應力結(jié)果進行驗算,施工狀態(tài)驗算時，主梁及橋墩視為固結(jié)，分別對上部及下部進行驗算。

4.2.1上部結(jié)構(gòu)

1)工況1：對稱加載，梁段應力見圖9。

圖9 工況1梁段應力圖(單位：MPa)

2)工況2：橫橋向風非對稱加載，梁段應力如圖10所示。

圖10 工況2梁段應力圖(單位：MPa)

由圖10可知非對稱加載工況下的應力圖與對稱加載的基本一致，滿足規(guī)范要求。

4.2.2下部結(jié)構(gòu)驗算

主墩采用花瓶墩，墩柱采用非規(guī)則截面(見圖11)，墩身主筋采用雙層Φ25HRB400鋼筋，配筋率為7.63‰，配筋如圖12所示。由于墩柱截面為非規(guī)則截面，采用XTRACT截面分析軟件分析墩柱截面的 P-M曲線，結(jié)合墩柱最不利靜力計算的結(jié)果，判斷墩柱是否滿足正常使用狀態(tài)下的承載力要求，橋墩截面橫型如圖13所示。

圖11 橋墩構(gòu)造圖(單位： cm)

圖12 截面配筋圖(單位： cm)

圖13 橋墩截面模型

取受力最不利的主墩進行驗算，并考慮偏心受壓構(gòu)件的軸向力承載能力極限狀態(tài)偏心距增大系數(shù)η。結(jié)合 Midas計算成果，墩底軸力及彎矩如表4和表5所示。

結(jié)合 Midas 計算結(jié)果，將墩柱軸力及彎矩與墩柱P-M對比，如圖14所示(對稱截面故僅取彎矩正值)。

表4 順橋向截面內(nèi)力表(考慮偏心增大系數(shù))工況軸力/kN彎矩/(kN·m)η軸力最大99 19814 8852.9彎矩最大94 50427 3872.7

表5 橫橋向截面內(nèi)力表(考慮偏心增大系數(shù))工況軸力/kN彎矩 /(kN·m)η軸力最大99 19811 5742.2彎矩最大94 50535 7431.4

由彎矩曲率包絡圖可知，墩柱在正常使用極限狀態(tài)下的承載力可滿足100 a風作用下的靜力響應，且具有一定冗余度。

a)順橋向

b)橫橋向

5 結(jié)語

本文針對三家昌化江大橋主橋百年靜風荷載下的橋梁響應進行了分析，橋梁設計方案在該橋位的100 a重現(xiàn)期靜風作用下性能均滿足要求，為該類橋梁的抗風設計提供了一定指導作用。