大跨度斜拉桥结构的等效静阵风荷载分析

杨承海，祁永利

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074)

桥梁工程

大跨度斜拉桥结构的等效静阵风荷载分析

杨承海，祁永利

(中国市政工程华北设计研究总院有限公司，天津 300074)

处于多风地区的大跨度斜拉桥结构，风荷载是桥梁设计时必须考虑的因素，但采用随机振动理论进行结构设计，计算过程往往比较复杂。利用等效静阵风荷载计算了结构在风荷载作用下的响应，为桥梁的设计提供依据，对同类工程具有一定的借鉴作用。

斜拉桥；等效静阵风；荷载；响应

1 概 述

斜拉桥结构刚度随着跨度的增大而减小，且塔高较大，桥塔和拉索通常处于大气边界层中风速变化大、湍流度高的近地区域，因此对风荷载十分敏感。风荷载是此类结构设计时必须考虑的重要因素。利用等效静阵风荷载来计算结构在风荷载作用下的响应，是最简单有效的方法。

某大跨径斜拉桥位于鄂尔多斯地区，是一座超宽桥面卵形斜塔组合梁特种斜拉桥。桥梁总长180 m，其中主跨长120 m，为钢箱梁；附跨长60 m，为预应力混凝土结构。主梁梁高为2.5 m。桥梁总宽51.6 m，属于超宽桥面斜拉桥范畴。斜拉索采用整束挤压的环氧喷涂钢绞线，外包PE进行防护，采用双索面扇形布置。

针对该桥成桥状态进行了不同风偏角下的等效静阵风荷载分析，最后得出结构成桥状态静阵风荷载响应，为桥梁设计提供依据。

2 基本参数的确定及计算工况

2.1 设计基本风速

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)，该地区的基本风速，即离地面(水面)10 m高度处10 min平均年最大风速为Vs10=33.7 m/s。

2.2 设计基准风速

根据《公路桥梁抗风设计规范》中的规定和该地区气象局风速、风向统计资料分析，设计基准风速确定如式(1)

(1)

式中：Z表示离开水面的高度；Z10表示标准高度，即Z10=10 m；Vs10表示桥址处的设计基本风速；α表示地表粗糙度系数，取α=0.16。桥面高度处设计基准风速为Vd=36.3 m/s。

2.3 静阵风风速

Vg=GvVd

(2)

式中：Gv表示阵风风速系数，与水平加载长度和地表类别有关，成桥状态取为Gv=1.31；Vd表示不同高度处的设计基准风速；成桥状态桥面高度静阵风风速为Vd=47.6 m/s。

斜拉索和主塔根据各加载点离水面的高度计算各加载点的相应风速。

2.4 阻力系数

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)，斜拉桥的斜拉索的阻力系数取为0.8。主梁的三分力系数取0°攻角进行风荷载计算。根据试验结果，在0°风攻角成桥状态体轴下的气动阻力系数、升力系数和升力矩系数为0.740 8、-0.089 7和0.012 6。

2.5 计算工况

在进行斜风作用下结构的风荷载响应分析时，根据桥塔阻力系数的CFD计算结果，选取β=0°和β=90°作为计算风偏角，如图1所示。

图1 风偏角示意图(为风偏角)

3 计算截面确定

选择如图2所示计算断面作为风荷载响应控制断面，针对每一计算工况分别给出对应各计算断面的风荷载响应。各关键断面的坐标见表1，其中X是沿顺桥向的坐标轴；Y是沿竖向的坐标轴；Z是沿横桥向的坐标轴。

图2 成桥状态计算截面位置及节点示意图

响应编号截面点坐标X/mY/mZ/m截面点位置内力1-60.0-0.340.0主梁左端20.0-0.040.0塔梁交接处主梁截面3120.00.560.0主梁右端40.0-13.8289.0桥塔处外侧主墩墩底50.0-13.828-9.0桥塔处内侧主墩墩底位移6-30.0-0.190.0左边边跨(60m)跨中761.00.2650.0右边主跨(120m)跨中8-17.34164.7170.0主塔塔顶

4 风荷载计算

4.1 主梁风荷载计算

主梁在斜风作用下，将风速分解为顺桥向和垂直于桥向两个方向的风速，计算对应顺桥向和横桥向风荷载，同时作用到有限元模型上。

(1)顺桥向风速部分，风荷载计算如式(3)

(3)

(2)横桥向风速部分，风荷载计算如式(4)

横向力：

(4)

竖向力：

(5)

力矩：

(6)

式中：V10为桥位10m高度处100年重现期基本风速，33.7m/s；α为地表粗糙度指数，α=0.16；Cf为摩擦系数，Cf=0.02；s为主梁周长，为105m；CD为主梁阻力系数，CD=0.740 8；CL为主梁升力系数，CL=-0.089 7；CM为主梁升力矩系数，CM=0.012 6；H为主梁梁高，H=2.5m；B为主梁梁宽，B=51.6m；GVA为顺桥向等效静阵风系数，GVA=1.31；GVT为横桥向等效静阵风系数，GVT=1.31。

4.2 桥塔风荷载计算

(1) 顺桥向风速部分，风荷载计算如式(7)

·cos(β)·CDX·Bpylon

(7)

(2) 横桥向风速部分，风荷载计算如式(8)

·cos(β)·CDZ·Bpylon

(8)

式中：V10为桥位10m高度处100年重现期基本风速，为33.7m/s；α为地表粗糙度指数，α=0.16；CDX为桥塔顺桥向阻力系数； CDZ为桥塔横桥向阻力系数；Bpylon为桥塔单元横风向宽度；GVA为顺桥向等效静阵风系数，GVA=1.31；GVT为横桥向等效静阵风系数，GVT=1.31。

以上得出的是有限元模型中每个桥塔单元上作用的均布力静阵风荷载。

4.3 斜拉索风荷载计算

斜拉索在斜风作用下，将风速分解为顺桥向和垂直于桥向两个方向的风速，然后分别计算对应顺桥向和横桥向的风荷载，同时作用到计算模型。

(1)顺桥向风速部分，风荷载计算如式(9)

·sin(β)·CD·HP·D

(9)

(2)横桥向风速部分，风荷载计算如式(10)

·cos(β)·CD·HP·D

(10)

式中：V10为桥位10m高度处100年重现期基本风速，V10=33.7m/s；α为地表粗糙度指数，α=0.16；CDX为斜拉索的顺桥向阻力系数；CDZ为斜拉索的横桥向阻力系数；β为对应风偏角；Hp为斜拉索单元的投影高度；D为斜拉索的直径；GVA为顺桥向等效静阵风系数，GVA=1.31；GVT为横桥向等效静阵风系数，GVT=1.31。

斜拉索的顺桥向阻力系数以及横桥向阻力系数按《公路桥梁抗风设计规范》取值，都取0.8。

4.4 等效静阵风荷载响应(含自重)

本部分针对成桥状态的结构进行了静阵风荷载响应。不同构件单元坐标系中单元坐标轴在整体坐标系下的方向见表2，对应的各计算工况的风荷载响应结果见表3和表4。

表2 各个构件单元坐标轴在整体坐标系下的方向

主要构件XYZ主梁顺桥向竖向横桥向桥塔竖向顺桥向横桥向

表3 成桥状态风荷载响应结果(风偏角β=0°)

表4 成桥状态风荷载响应结果(风偏角β=90°)

续表4

5 结 论

该桥已于2011年6月建成通车，抗风效果良好。大跨度斜拉桥结构由于其结构的特殊性，往往对风荷载十分敏感。然而采用随机振动理论进行结构设计，往往比较复杂。利用等效静阵风荷载计算了结构在风荷载作用下的响应，为桥梁的设计提供了依据，对同类工程具有一定的借鉴意义。

[1] 向海帆.现代桥梁抗风理论与实践[M].北京：人民交通出版社,2005.

[2] 中华人民共和国交通部.公路桥梁抗风设计规范(JTG/T D60-1-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.

2016-05-18

杨承海(1983-)，男，山西阳泉人，工程师，从事桥梁设计与研究。

U442

C

1008-3383(2017)03-0101-03