神农溪特大桥抗风设计与施工

任 蒙 易 蓓

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

神农溪特大桥抗风设计与施工

任 蒙 易 蓓

(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北 武汉 430056)

介绍了神农溪特大桥的工程概况，通过结构动力特性、颤振稳定性及风荷载响应分析，对该大桥进行了抗风设计，并采用风洞试验，验证了桥梁的风振稳定性，保证了施工的顺利进行。

斜拉桥，悬臂，抗风设计，风荷载，稳定性

1 工程概况

神农溪特大桥为湖北省宜昌至巴东高速公路跨越神农溪“U”形峡谷而设置的一座特大桥，是一个跨越深切峡谷复杂地形的特殊工程。桥跨布置[(4×30)+(80+150+80)+(140+320+140)+(2×30)]m，设计速度为80 km/h，双向四车道，标准断面宽24.5 m。桥址位于巴东山区，基本烈度为6度，设计基本地震加速度值为0.05g，设计地震分组为第一组。

神农溪为长江北岸的一级支流，为著名风景区，为保持风景区原貌，主桥采用双塔双索面预应力混凝土斜拉桥一跨过溪，桥址所在地区为单斜地质构造区，覆盖层较薄，桥址基岩由白云质灰岩、灰岩、盐溶角砾状灰岩组成，地质情况较好(见图1)。

主梁采用C55混凝土，P—K断面预应力混凝土结构，顶面宽27.1 m，梁高3 m，节段长度有8 m,5 m两种。横梁为预应力混凝土结构，厚0.3 m；间距与加劲梁节段长度、斜拉索索距相对应。

“宝石”型空间索塔桥面以上塔高约80 m，桥塔总高约191.8(195.8)m；塔墩基础由18根3.0 m的嵌岩端承桩组成。每个主塔布置19对斜拉索，斜拉索由1 670 MPa镀锌平行钢丝，PE护套组成；采用机械阻尼器和PE护套表面压制凹坑的气动减振措施来抑制风雨激振。神农溪特大桥加劲梁标准横断面见图2。

神农溪斜拉桥采用全漂浮体系，主梁过渡墩处采用纵向滑动，横向约束的球钢支座；塔梁交界处竖向支承采用0号斜拉索，横向约束采用板式橡胶支座及横向限位块，纵向采用限位块约束大位移。纵向全漂浮体系，属于长周期结构，结构抗震有利；纵向限位块约束了罕遇地震下的梁体位移，能够确保罕遇地震(E2地震)作用下，桥梁仅限位块发生轻微损伤，梁体本身不经修复或经简单修复即可正常使用。神农溪特大桥跨越“U”形峡谷，风剖面和湍流特征不同于平原地区；目前针对山区峡谷风的研究偏少，因此本桥的抗风设计非常重要。主桥采用P—K断面预应力混凝土箱梁，宝石型桥塔，空间索面，结构抗扭刚度较高，抗风性能有利。大桥采用双悬臂浇筑施工，施工中最大悬臂状态为159 m(中跨侧)。斜拉桥施工中的最大悬臂阶段，是斜拉桥受力最不利阶段之一；考虑施工过程中斜拉桥最大悬臂阶段的主梁风振稳定性；在边跨距桥塔中心线94 m处设置了施工用的临时墩，提高了施工中的稳定性(见图3)。

实际施工中，为加快施工进度，减少施工投入，考虑取消临时墩。为保证施工过程中桥梁风振稳定性，大桥通过风洞实验进行了抗风专项研究，确保大桥顺利施工。

2 抗风设计与风洞试验

2.1 设计风速

如果将山区海拔绝对高度转化为高度坐标，根据风剖面公式，得出的风速远大于沿海地区台风风速，明显是不合适的。山区气象站调研资料显示：风速随海拔高度线性增大；海拔高度每增加1 000 m，基本风速增加1.0 m/s，不能按照风剖面高度换算的方法推算风速[2]。神农溪特大桥附近供参照的四个气象站100年重 现期10 m高度的年平均最大风速平均为24.8 m/s[2]；大桥桥位附近山体的平均海拔约450 m，与四个气象站平均海拔高度408 m一致，则桥址处基本风速为24.8 m/s。神农溪特大桥处于周围群峰形成的冠层内，偏保守不考虑地形修正因子，则大桥桥面处的设计基准风速为24.8 m/s；施工阶段10年重现期的设计基准风速为20.8 m/s。参考类似峡谷风场地实测气象资料，阵风风速系数GV取1.9。

2.2 结构动力特性分析

结构动力特性分析结果显示：最大双悬臂状态是否设置临时墩对主梁扭弯频率影响不大，对主梁扭转频率影响4%～7%，对主梁竖向弯曲频率影响19%～25%；对主梁翘翘板运动状的刚体转动影响最大，达70%。

2.3 颤振稳定性分析

根据《公路桥梁抗风设计规范》，100年重现期成桥状态颤振检验风速为40.7 m/s,施工阶段颤振检验风速为34.1 m/s。

采用主梁节段模型风洞试验测定主梁颤振临界风速。直接法颤振试验结果表明：成桥状态，相当于实桥风速156 m/s以上未观察到颤振；最大双悬臂状态(未设置临时墩)，相当于实桥风速188 m/s以上未观察到颤振发散现象。基于节段模型所测得的加劲梁断面气动参数，应用耦合颤振的多模态颤振分析方法，分析得出：成桥状态、最大双悬臂状态、最大单悬臂状态，颤振临界风速均不低于150 m/s。风洞试验和试验分析均证明：大桥无论在成桥状态，还是施工阶段最大悬臂状态下不设置临时墩的颤振临界风速均远高于颤振检验风速，满足颤振稳定性要求。

2.4 风荷载响应分析

用于桥梁结构设计的总风荷载响应应为由平均风引起的静风荷载响应和由脉动风引起的抖振响应峰值的不利组合。对于施工阶段双悬臂状态，按照《公路桥梁抗风设计规范》[2]，需要考虑对称和不对称两种静风荷载情况，取两种加载结果的较大值。

加劲梁断面三分力系数是风荷载响应的关键参数，主梁节段模型风洞测力试验测得的三分力系数为：最大双悬臂不设置临时墩状态下，0°风攻角作用下，横向风动力系数为0.752 3，竖向气动力系数为-0.231 68，气动俯仰弯矩系数为0.045 22。

风洞试验测振模型与测力模型见图4。

计算表明：施工最大双悬臂状态不设置临时墩时总风荷载位移极大值：中跨主梁端部竖向位移为0.678 m，侧向为0.064 m；边跨合龙后，施工最大单悬臂状态总风荷载位移极大值：中跨主梁端部竖向位移为0.124 m，侧向为0.031 m；位移均处于容许范围内，同时内力验算表明截面承载力满足要求。

2.5 小结

综上所述，施工中取消临时墩的情况下，施工过程中斜拉桥不会发生颤振失稳、结构承载力和位移处于容许范围内；同时结构静力稳定系数大于4.0。为加快施工进度，施工中取消了临时墩，施工顺利完成。

3 结语

通过风洞试验与抗风研究，确保了神农溪特大桥在悬臂浇筑施工中不设置临时墩的情况下，颤振稳定性满足要求；抖振力作用下结构位移、受力均在允许范围内。最终神农溪特大桥在施工过程中取消了临时墩，加快了施工进度，减少了施工投入，可供类似山区斜拉桥借鉴。

[1] 中交第二公路勘察设计研究院有限公司.宜巴高速神农溪特大桥施工图设计文件[Z].

[2] 湖北省宜巴高速公路神农溪特大桥抗风试验研究[Z].同济大学,2010.

[3] JTG/T D60—01—2004,公路桥梁抗风设计规范[S].

[4] 严国敏.现代斜拉桥[M].成都：西南交通大学出版社,1996.

Abstract: The thesis introduces extra-large Shennongxi bridge engineering conditions. Through structural dynamic properties, flutter stability and wind load response analysis, it carries out wind-resistant design for the bridge, applies wind tunnel test, testifies the wind vibration stability of the bridge, and finally guarantees the construction smooth.

Key words: cable-stayed bridge, cantilever, wind-resistant design, wind load, stability

Wind-resistant design and construction of extra-large Shennongxi bridge

Ren Meng Yi Bei

(ChinaCommunication2ndHighwaySurvey&DesignAcademyCo.,Ltd,Wuhan430056,China)

2016-03-18

任 蒙(1984- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2016)15-0162-03

U442

A