高墩大跨连续刚构桥施工过程抗风舒适性分析★

段瑞芳 聂存庆 郝宪武

(1.陕西交通职业技术学院，陕西 西安 710018;2.西安市交通运输管理处，陕西西安 710065;3.长安大学桥梁所，陕西 西安 710064)

0 引言

采用悬臂浇筑的高墩大跨连续刚构桥，桥墩越高悬臂施工的稳定性越差，尤其当桥梁位于风力较大的山口时对风作用尤为敏感。本文将采用数值模拟方法分析结构悬臂施工过程工作人员的振动舒适性。

1 西北沟谷地形风场基本风速推算方法

在西部地区，多数桥址处地形复杂，而这些地区有的没有设立气象站，进而缺少桥址处的气象实测资料，桥梁的设计风速就比较难以确定。但是在这些地区的基本风速“不受地形、地貌的影响”的特性依然保持不变。这就给山区沟谷地形的桥址的基本风速的确定带来较大的困难。在这样的情况下，就需要根据桥址附近的气象站测得的风速资料，来推算桥址处的设计风速。桥梁设计风速推导流程图见图1。

图1 桥梁设计风速推导流程图

本文参考2009年徐洪涛在其博士学位论文中推导出的该处的桥梁结构设计基准风速的公式［5］。计算得出实例工程桥址处“虚拟气象站”的基本风速为27.4 m/s。桥址处风速的平均地形修正系数a=1.15，本文依托工程的设计基准风速为:Ves=30.68 m/s。

2 结构悬臂施工过程工作人员振动舒适性分析

对于高墩大跨刚构桥在风振作用下的悬臂施工过程中施工人员的舒适性及安全性研究比较少见。本章就高墩大跨连续刚构桥在悬臂施工过程中，分别以墩高、悬臂长度、风速为参数，分析施工人员结构悬臂施工过程中，在动风荷载的作用下人员振动舒适性问题，并分别以加速度和Diekemann的舒适度指标K对结构的振动舒适度进行评价。

2.1 结构模型建立分析

本节利用有限元分析软件midas/civil2010中的时程分析，对结构进行简化的动力分析。沟谷地区的风环境分布比较复杂，高墩大跨连续刚构桥在其悬臂施工过程中，由于墩高高度、悬臂长度以及风速大小的不同，结构对作用在其上的风荷载的响应也不同。即将作用在桥梁结构上的风荷载简化为类似的冲击荷载。

本文选择如图2所示的荷载模型［9］作为实例工程的动风荷载模型，并将此风荷载以多周期形式反复加载在结构上。

图2 简化的动力荷载

且有:1/2×FM×t2=Fwh×t2。

其中，t1=10 s;t2=20 s;t3=25 s;FM为动力风荷载时程函数最大值;Fwh为根据桥址处结构抗风设计风速，计算得到的风荷载静力值;t1为动力风荷载达到最大值FM的时间;t2为动力风荷载达到最小的时间;t3为动力风荷载作用一个周期的时间。

2.2 基于Diekemann舒适度指标K的舒适度评价

目前，欧洲大多国家分析结构振动对人体的影响时，多采用德国学者狄克曼Diekemann舒适度指标。其指标K的计算公式以及评定标准见表1，表2［8］。

表1 Diekemann指标K计算公式

表2 狄克曼指标K评定标准

结构分别在墩高h=30m，50m，70m，90m以及悬臂长度x=30m，50m，70m时的舒适度指标K计算，如表3所示。

表3 各参数下的Diekemann的舒适度指标K值

根据狄克曼舒适度指标K评定标准:计算舒适度指标K值基本小于10(见图3)。即:结构上工作人员的舒适度在“能忍受短期振动”的范围。

图3 舒适度指标K值随墩高变化趋势图

2.3 基于加速度指标的舒适度评价分析

由国内外的医学、心理以及工程方面的专家多年的实验研究结果得知:结构的振动频率、加速度幅值以及振动持续时间是能否使人体感觉舒适的决定性的因素。其中振动持续时间决定于阵风自身的特性，而振动频率调整又比较困难，比较容易掌握的是结构的加速度幅值。加速度对人体舒适性的影响如表4所示。

表4 加速度对人体舒适性的影响

1)在不同的墩高、悬臂长度下结构的振动分析。分别以不同的桥墩高度、悬臂长度为参数，对实例工程进行简化的动风荷载时程分析，结构的竖向、横向的加速度及位移变化曲线见图4，图5。

图4 结构横向及竖向加速度的变化趋势

图5 结构横向及竖向位移的变化趋势

2)在不同的风速作用下结构的振动分析。桥梁悬臂施工过程中的工作人员多暴露在外部环境中，没有遮挡。根据风级、风速和征象对照表:在8级大风下“迎风步行感到阻力甚大”。同时，在JGJ 215-2010建筑施工升降机安装、使用、拆卸安全技术规程中指出，塔吊、升降机安装过程中的风速不得大于13 m/s，施工升降机顶部风速大于20 m/s时不得使用施工升降机。综合可知在风速超过20 m/s时，大风对暴露在外部的人员的安全影响很大，尤其是处在高空作业的人员，在此风速下，结构需停止施工，工作人员尽快撤离到安全位置。

选用在前面推算得到的桥址处的抗风设计风速U1=30.68 m/s。根据基本风速等级得出:在六级风速下的最大风速U2=13.8 m/s以及八级最大风速U3=20.7m/s，在这三种风速下讨论结构的横、竖向加速度以及横、竖向位移的变化。详细结果见表5。

表5 不同风速对T形刚构的影响

综合以上分析结果显示:结构在施工阶段中，不同的桥墩高度、悬臂长度以及风速状态，在动风荷载作用下，结构在最大悬臂处产生的横向、竖向最大的加速度以及位移均不同:随着悬臂长度及墩高的增加，结构的最大横向、竖向加速度以及最大横向、竖向位移呈现逐渐增大的趋势，且结构的横向加速度及位移影响比竖向的加速度及位移要更为明显。

基于加速度为评价指标的分析结果:结构在简化的动风荷载作用下最大的横向加速度为(3.16E-2)m/s2，最大的竖向加速度为(7.62E-3)m/s2，根据加速度对人体舒适性的影响:二者均小于0.5%g，即针对实例工程的悬臂施工阶段，结构的振动对工作人员的影响较小，没有使人感到不适。

3 结语

通过采用简化的动力风荷载计算结果显示:随着墩高的增高、悬臂长度的伸长以及风速的增大，结构的横向、纵向加速度及竖向、横向位移呈现增大的趋势。且横向的加速度和位移变化更显著。结构的最大加速度小于人们能感受到的限值，即结构的振动对工作人员的影响较小。但Diekemann舒适度评价指标K值接近“能忍受短期振动”的限制，若出现大风天气，建议停止施工，安排工作人员尽快离开施工现场。

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