中圖分類號(hào)：U443. 32⁺3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOl：10.13282/j.cnki.wccst.2025.04.044

文章編號(hào)：1673-4874（2025）04-0158-04

0 引言

風(fēng)荷載對(duì)大跨度橋梁、超高結(jié)構(gòu)等常起著控制性作用，在風(fēng)荷載作用下，超高塔斜拉塔柱等高層結(jié)構(gòu)會(huì)經(jīng)歷顯著的變形和振動(dòng)[]，極端的風(fēng)振甚至可能導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)的破壞，因此有效抑制超高塔斜拉塔柱施工過程中的風(fēng)振效應(yīng)至關(guān)重要。橫梁的設(shè)置能夠改變結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布，從而影響風(fēng)荷載的傳遞路徑和作用效果[2]。深入研究橫梁的影響，有助于確保橋梁結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的安全性和穩(wěn)定性，避免因風(fēng)振引起的結(jié)構(gòu)損傷或疲勞破壞，從而延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)的使用壽命[3]。此外，大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計(jì)不僅要滿足規(guī)范的安全要求，還要兼顧經(jīng)濟(jì)實(shí)用性和結(jié)構(gòu)性能。研究橫梁對(duì)塔柱風(fēng)振的抑制效應(yīng)，有助于優(yōu)化抗風(fēng)設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載響應(yīng)，提升結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能。盡管已有研究4探討了高層建筑頂部橫梁的風(fēng)效應(yīng)，指出橫梁的設(shè)計(jì)對(duì)風(fēng)振響應(yīng)有顯著影響，但對(duì)大跨斜拉橋塔柱施工階段橫梁的風(fēng)振抑制效應(yīng)研究尚不多見。為此，本文依托實(shí)際斜拉橋塔柱施工工程項(xiàng)目，通過數(shù)值分析對(duì)塔柱中橫梁和上橫梁施工期間風(fēng)荷載作用下的頂部位移變形情況開展研究，分析了橫梁對(duì)塔柱的風(fēng)振抑制效應(yīng)，為工程施工提供了重要的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。

1風(fēng)壓時(shí)程模擬與風(fēng)振抑制效應(yīng)分析

1.1 風(fēng)壓時(shí)程模擬

本研究依托工程廣西上林至橫州高速公路在南寧市橫州市境內(nèi)，距離下游西津水利樞紐4.0km處，跨越郁江的一座特大斜拉橋的塔柱施工工程。其中斜拉橋橋梁及塔柱結(jié)構(gòu)效果圖見圖1。

為了深入探究施工階段塔柱的風(fēng)振響應(yīng)，必須模擬其風(fēng)壓時(shí)程曲線，并將其輸入到有限元軟件中，以便計(jì)算風(fēng)振作用下模型的位移偏移量。在任意地貌條件下，對(duì)于特定高度 z 處的單位面積風(fēng)荷載壓力，可以通過式（1）來確定：

w_κ=μ_zμ_sw₀

圖1斜拉橋橋梁及塔柱結(jié)構(gòu)效果圖

式中： ?：μ_z ——在任意地貌條件下特定高度 z 處風(fēng)壓高度變化系數(shù)，計(jì)算見式（2）。

μ_s 一一風(fēng)荷載體形系數(shù)，矩形截面見圖2。

圖2風(fēng)荷載體形系數(shù)計(jì)算示意圖

Davenport風(fēng)速譜是公認(rèn)的描述順風(fēng)向風(fēng)速波動(dòng)的標(biāo)準(zhǔn)模型[5]。全球包括中國(guó)在內(nèi)的眾多國(guó)家在制定相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，均使用了這一風(fēng)速譜。因此，本研究也選用了Davenport風(fēng)速譜來開展風(fēng)振分析。為了簡(jiǎn)化Davenport風(fēng)速譜的計(jì)算過程，眾多研究者基于Matlab平臺(tái)開發(fā)了模擬風(fēng)速時(shí)程的程序，這些程序能夠根據(jù)Davenport風(fēng)速譜生成風(fēng)速、功率譜以及風(fēng)壓時(shí)程曲線。本研究利用該程序，結(jié)合廣西地區(qū)的歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)及式（1）、式（2），計(jì)算得到了工程現(xiàn)場(chǎng)的風(fēng)速、功率譜和風(fēng)壓時(shí)程曲線，見圖3至圖5。

圖3風(fēng)速時(shí)程曲線圖

圖4功率譜時(shí)程曲線圖

1.2風(fēng)振抑制效應(yīng)分析

風(fēng)振抑制效應(yīng)是一種工程技術(shù)概念，其通過工程設(shè)計(jì)等手段，有效地減輕風(fēng)力對(duì)橋梁及其他結(jié)構(gòu)物造成的不利振動(dòng)，進(jìn)而保障結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定性和安全性。本研究核心在于探討橫梁在塔柱結(jié)構(gòu)中所發(fā)揮的風(fēng)振抑制效應(yīng)，深入分析橫梁的結(jié)構(gòu)布局，以評(píng)估其在減輕塔柱振動(dòng)中的實(shí)際效能。

在風(fēng)振作用下，塔柱頂部的水平位移偏移量是衡量塔柱受風(fēng)振影響程度的一個(gè)重要指標(biāo)。因此，本研究采用有限元軟件MidasCivil，建立了塔柱在中橫梁和上橫梁施工期間各階段的有限元模型。通過這些模型，計(jì)算了在風(fēng)荷載作用下，各施工階段塔柱頂部位置的位移偏移量變化情況，進(jìn)而深入研究橫梁對(duì)塔柱施工階段風(fēng)振抑制作用的影響。該方法的應(yīng)用不僅能夠量化橫梁對(duì)塔柱風(fēng)振抑制效果的貢獻(xiàn)，還能夠根據(jù)這些數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化橫梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，確保在面對(duì)復(fù)雜多變的風(fēng)環(huán)境時(shí)，結(jié)構(gòu)物能夠保持穩(wěn)定和安全。通過深入研究橫梁的布置方式，為未來的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供更加精確和科學(xué)的指導(dǎo)，以確保橫梁能夠在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮最大的風(fēng)振抑制效果，延長(zhǎng)建筑物的使用壽命，減少因風(fēng)振引起的維護(hù)成本。

2數(shù)值分析橫梁對(duì)塔柱的風(fēng)振抑制效應(yīng)

風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)是斜拉橋風(fēng)振分析方法中的重要研究?jī)?nèi)容。本節(jié)采用了有限元軟件構(gòu)建了精確的斜拉橋塔柱有限元模型，以研究在風(fēng)荷載作用下超高塔柱的動(dòng)力響應(yīng)，對(duì)風(fēng)荷載影響下的超高塔有限元模型進(jìn)行了精確的變形值分析。通過有限元計(jì)算，細(xì)致研究了塔柱在中橫梁和上橫梁施工期間，在風(fēng)荷載作用下其頂部位置偏移量變化情況，為工程施工提供數(shù)據(jù)支持。塔柱中橫梁和上橫梁施工主要分為四個(gè)階段，具體各階段施工過程塔柱頂部位置偏移量情況數(shù)值分析結(jié)果如下。

2.1第一階段僅下橫梁

圖6展示了在僅安裝下橫梁、未安裝中橫梁情況下的塔柱有限元模型。該模型采用C50混凝土作為塔柱的材料。該階段模型由67個(gè)節(jié)點(diǎn)和66個(gè)梁?jiǎn)卧獦?gòu)成。為了模擬塔柱在實(shí)際環(huán)境中的支撐條件，模型的底部被施加了固定約束。在有限元軟件中輸入上文計(jì)算所得風(fēng)壓時(shí)程曲線，并在除底部節(jié)點(diǎn)外所有節(jié)點(diǎn)上施加了縱向風(fēng)荷載。通過有限元計(jì)算，得到該階段塔柱頂部在風(fēng)荷載影響下的位移偏移量隨時(shí)間變化的曲線，如圖7所示。結(jié)果顯示，這一階段，塔柱頂部的最大位移偏移量為7.919 cm。

圖6第一階段模型圖

圖5風(fēng)壓時(shí)程曲線圖

圖7第一階段偏移量時(shí)程曲線圖

2.2第二階段中橫梁安裝完畢

為了深入探究塔柱在不同施工階段對(duì)風(fēng)荷載的響應(yīng)，進(jìn)一步分析了在安裝中橫梁后，塔柱塔頂?shù)淖冃吻闆r。圖8在圖6有限元模型的基礎(chǔ)上增設(shè)了中橫梁，展示了在下橫梁和中橫梁均安裝到位情況下的塔柱有限元模型。該階段模型由70個(gè)節(jié)點(diǎn)和70個(gè)梁?jiǎn)卧獦?gòu)成，新增中橫梁同樣選用C50混凝土材料。模型的底部施加了固定約束，并在除底部節(jié)點(diǎn)外，其余節(jié)點(diǎn)上施加縱向風(fēng)荷載。有限元計(jì)算該階段塔柱頂部位移偏移量時(shí)程曲線見圖9。分析結(jié)果顯示，在風(fēng)荷載的作用下，其最大位移偏移量降低至6.729cm，與未安裝中橫梁相比降幅15% 。證實(shí)了中橫梁的安裝對(duì)于增強(qiáng)塔柱結(jié)構(gòu)的橫向剛度具有重要作用，顯著提高了橋梁的橫向穩(wěn)定性，并有效增強(qiáng)了其抵御風(fēng)荷載的能力。

圖10第三階段模型圖

圖11第三階段偏移量時(shí)程曲線圖

圖8第二階段模型圖

圖9第二階段偏移量時(shí)程曲線圖

2.4第四階段全部橫梁安裝完畢

全部橫梁安裝完畢后，塔柱模型見圖12。圖12在圖10模型的基礎(chǔ)上增設(shè)了上橫梁，新增部分同樣采用C50 混凝土作為材料，并在增加節(jié)點(diǎn)上施加縱向風(fēng)荷載。通過有限元計(jì)算，該階段塔柱塔頂位移偏移量時(shí)程曲線見圖13。在風(fēng)荷載的影響下，塔頂?shù)淖畲笪灰破屏繛?.343cm ，相較于未增設(shè)上橫梁時(shí)減少了 3.5% 。說明橫梁對(duì)于增強(qiáng)橋梁橫向穩(wěn)定性和提升塔柱抵御風(fēng)荷載能力起到重要作用。值得注意的是，上橫梁安裝后位移偏移量降低了近 3.5% ，而中橫梁增設(shè)時(shí)的降幅達(dá)到了 15% A是上橫梁降幅的4倍以上。這一現(xiàn)象表明，隨著塔柱高度的增加，橫梁抑制風(fēng)振的效果呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)。

2.3第三階段上橫梁未安裝時(shí)

圖10展示了在下橫梁和中橫梁均安裝到位的情況下，塔柱繼續(xù)施工至設(shè)計(jì)高度，但上橫梁尚未安裝時(shí)的有限元模型。該階段模型在圖8的基礎(chǔ)上增加了塔柱的高度至設(shè)計(jì)高度，新增部分同樣采用 C50 混凝土作為材料，并在新增節(jié)點(diǎn)上施加了縱向風(fēng)荷載。經(jīng)有限元分析計(jì)算，該階段塔柱頂部位移偏移量隨時(shí)間變化的詳細(xì)曲線見圖11。圖11顯示，塔柱頂部的最大偏移量為7.611cm ，大于第二階段最大位移偏移量，這表明了隨塔柱整體高度的增加，位移量相應(yīng)增大，結(jié)構(gòu)在高度增加時(shí)對(duì)風(fēng)荷載的響應(yīng)也隨之增大。

圖12第四階段模型圖

圖13第四階段偏移量時(shí)程曲線圖

3結(jié)語(yǔ)

本文依托實(shí)際塔柱施工工程項(xiàng)目，采用數(shù)值分析方法，深入研究了塔柱頂部在中橫梁和上橫梁施工階段風(fēng)荷載作用下的變形情況，分析了橫梁對(duì)塔柱的風(fēng)振抑制效應(yīng)，為工程施工提供了重要的數(shù)據(jù)支持和科學(xué)依據(jù)。具體結(jié)論如下：

（1）橫梁的設(shè)置可以改變結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量分布，從而影響風(fēng)荷載的作用效果。數(shù)值分析結(jié)果顯示，中橫梁的安裝使得塔柱頂端最大位移偏移量降低了 15% ，而上橫梁的安裝使得塔柱頂端最大位移偏移量下降 3.5% 。證實(shí)了橫梁在增強(qiáng)橋梁橫向穩(wěn)定性和提升塔柱抵御風(fēng)荷載能力方面發(fā)揮著重要作用。

（2）隨塔柱整體高度的增加，位移量相應(yīng)增大，這表明了結(jié)構(gòu)在高度增加時(shí)對(duì)風(fēng)荷載響應(yīng)也隨之增大。此外，中橫梁增設(shè)后位移量的降幅是上橫梁增設(shè)后降幅的4倍以上，這一現(xiàn)象表明，隨著塔柱高度的增加，橫梁抑制風(fēng)振的效果呈現(xiàn)逐漸減弱的趨勢(shì)。

上述結(jié)論對(duì)于實(shí)際工程中塔柱的設(shè)計(jì)和施工具有深遠(yuǎn)的意義。因此，建議在后續(xù)的塔柱施工中增設(shè)橫梁，以優(yōu)化抗風(fēng)設(shè)計(jì)，減少結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)荷載的響應(yīng)，并提高結(jié)構(gòu)的整體抗風(fēng)性能。此外，鑒于塔柱高度的增加會(huì)導(dǎo)致橫梁抑制風(fēng)振效果的減弱，推薦在超高塔柱的頂部設(shè)計(jì)多道橫梁，以此增強(qiáng)塔柱的抗風(fēng)性能，確保結(jié)構(gòu)安全和穩(wěn)定性。 $＼textcircled { ＼div }$

參考文獻(xiàn)

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