三家昌化江大桥静风荷载作用下响应分析

韦泽鹏

(海南省交通规划勘察设计研究院，海南 海口 570206)

1 工程概况

三家昌化江大桥起于东方市，终于昌江县，为海南省环岛旅游公路的亮点工程之一，桥梁跨越海南第2大河昌化江，距离入海口约12 km。桥位处为七级航道，技术标准采用双向四车道一级公路，桥梁全长1 357.2 m，控制该桥梁的300 a一遇洪水位为17.28 m。三家昌化江大桥主桥为(50+3×90+50)m的斜腹板变截面连续梁，主梁采用悬臂施工。 根据防洪及通航要求，主桥桥面高程最高点的高程为25.734 m，跨越河道常水位为4.5 m。桥位处100 a重现期的基本风速为45.1 m/s[1]。桥位所处区域为宽阔水面,从上述工程条件可知桥位处基本风速大、桥面高程高，因此针对该桥成桥期间和施工期间最大悬臂状态在百年静风荷载下的响应进行了分析。桥型布置及标准横断面如图1、图2所示。

图1 桥型布置图(单位：m)

图2 标准横断面图(单位：cm)

2 风速参数确定[1]

2.1 设计基本风速

成桥阶段桥梁各构件基准高度Z处的设计基准风速按式(1)进行计算：

(1)

式中：Ud为基准高度处的设计风速，m/s；kf为抗风风险系数；α0为桥址处地表粗糙系数；kc为地表类别转换系数；U10为基本风速。

施工阶段设计风速按式(2)计算：

Usd=ksfUd

(2)

式中：Usd为施工阶段设计风速，m/s；ksf为施工期抗风风险系数。

2.2 等效经阵风风速

等效经阵风风速可按式(3)计算：

Ug=GvUd

(3)

式中：Ug为等效静阵风风速，m/s，Gv为等效静阵风系数。

2.3 主梁截面横向力系数

主梁截面横向力系数可按式(4)计算：

(4)

式中：CH为主梁截面横向力系数；βd为腹板倾角；B为截面宽度；D为梁高。

2.4 主梁横桥向风及顺桥向风计算

横桥向风作用下主梁单位长度上的等效静阵风荷载可按式(5)计算：

(5)

式中：Fg为主梁单位长度上的等效静阵风荷载，N/m；ρ为空气密度，kg/m3。

主梁顺桥向风取横桥向风荷载的0.25倍。

2.5 桥墩风荷载计算

作用在桥墩上的来流风荷载可按式(6)计算(横、顺桥向通用)：

(6)

式中：Fg为构件单位长度上的风荷载，N/m；CD为构件阻力系数；An为构件单位长度上顺风向的投影面积。

3 风荷载计算

由于主梁高度不同，变截面主梁部分不同位置得到的阻力不同，将变截面主梁处分为5部分，第1部分为主梁0#-1#块(梁高按5.4 m选取)，第2部分为主梁2#-3#块(梁高按4.6 m选取)，第3部分为主梁4#-6#块(梁高按3.7 m选取)，第4部分为主梁7#-8#块(梁高按2.8 m选取)，第5部分为主梁剩余部分(梁高按2.4 m选取)，如图3所示。

图3 主梁分段图

根据第2节的公式计算可得主梁各部分100 a重现期风荷载如下表：

表1 成桥阶段100 a重现期风荷载kN/m横桥向风荷载顺桥向风荷载成桥阶段施工阶段成桥阶段施工阶段主梁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桥墩墩顶(梯形加载)8 4106 92824 85620 475

4 结构响应

连续梁主梁采用C55混凝土进行悬臂现浇施工，主梁采用单箱双室断面，墩顶节段梁高5.6 m，跨中节段梁高2 m。箱梁顶板厚30 cm，腹板厚0.6～0.8 m，底板厚0.32～0.95 m。全桥纵向预应力均采用19ΦS15.2钢束，均采用两端张拉。

主梁计算采用桥梁三维有限元分析综合程序Midas进行空间杆系分析。成桥计算荷载包含100 a风速、主梁二期荷载、整体升降温及梯度升降温[2]，各桥墩沉降按10 mm进行组合计算，并考虑施工过程中的挂篮、配重及成桥10 a的混凝土收缩徐变。其中100 a风速在基本组合中按1.4的系数考虑荷载组合，施工阶段外荷载计算仅考虑在最大悬臂阶段施加风荷载，进行100 a横风和纵风包络分析。

使用Midas对桥梁进行风荷载分析验算，对成桥阶段及最大悬臂阶段分别建立模型进行分析。

4.1 成桥阶段结构响应

4.1.1承载能力极限状态验算

4.1.1.1 正截面抗弯承载力验算

主梁的正截面抗弯承载力包络图见图4，验算结果见表2。图中外围包络线为主梁能承受的最大弯矩，中间曲线为结构实际承受的弯矩。主梁跨中正弯矩最大，为133 948 kN·m；桥墩墩顶处负弯矩最大，为-601 377 kN·m。各截面处弯矩均未超过所能承受的最大弯矩，主梁正截面抗弯承载力满足规范要求[3]。

图4 主梁正截面抗弯承载力包络图

表2 正截面抗弯承载力验算结果极值点/单元位置rMu/(kN·m)Mn/(kN·m)验算结果46墩顶-601 3771 038 089OK61跨中133 948205 721OK

4.1.1.2 斜截面抗剪承载力验算

主梁的斜截面抗剪承载力包络图见图5，验算结果见表3。图中外围包络线为主梁能承受的最大弯矩，中间曲线为结构实际承受的弯矩。主梁墩顶处剪力最大，为35 428 kN。各截面处剪力均未超过所能承受的最大剪力，主梁斜截面抗剪承载力满足规范要求。

4.1.2持久状况正常使用极限状态箱梁正截面抗裂验算

主梁的正截面抗裂验算结果见图6。考虑20%预应力折减后在短期效应下各截面均未产生拉应力，故满足规范对全预应力混凝土主梁验算的要求。

4.1.3持久状况正常使用极限状态箱梁斜截面抗裂验算

主梁的斜截面抗裂验算结果见图7。短期效应下最大主拉应力为0.72Mpa，满足规范σtp≤0.5ftk=1.37 MPa的应力限值要求。

图5 斜截面抗剪承载力验算结果(单位：kN)

a)上缘应力图

b)下缘应力图

图7 斜截面抗裂验算主梁主拉应力图(单位：MPa)

4.1.4持久状况正常使用极限状态箱梁正截面最大压应力验算

主梁正截面最大压应力验算结果如图8。标准组合下箱梁正截面受压区混凝土最大压应力14.08 MPa，满足规范σkc+σpt≤0.5fck=17.75 MPa的应力限值要求。

表3 斜截面抗剪承载力验算结果极值点/单元位置rVd/kNVn/kN验算结果46墩顶35 42856 233OK

图8 标准组合主梁最大压应力图(单位：MPa)

4.2 施工阶段结构响应

施工阶段对最大双悬臂状态进行分析，根据规范[1]要求，采用2种工况，工况1为对称加载，工况2为横桥向风非对称加载，一侧悬臂横向风大小为另一侧悬臂的0.5倍。100 a风荷载系数为1,进行荷载组合。取应力结果进行验算,施工状态验算时，主梁及桥墩视为固结，分别对上部及下部进行验算。

4.2.1上部结构

1)工况1：对称加载，梁段应力见图9。

图9 工况1梁段应力图(单位：MPa)

2)工况2：横桥向风非对称加载，梁段应力如图10所示。

图10 工况2梁段应力图(单位：MPa)

由图10可知非对称加载工况下的应力图与对称加载的基本一致，满足规范要求。

4.2.2下部结构验算

主墩采用花瓶墩，墩柱采用非规则截面(见图11)，墩身主筋采用双层Φ25HRB400钢筋，配筋率为7.63‰，配筋如图12所示。由于墩柱截面为非规则截面，采用XTRACT截面分析软件分析墩柱截面的 P-M曲线，结合墩柱最不利静力计算的结果，判断墩柱是否满足正常使用状态下的承载力要求，桥墩截面横型如图13所示。

图11 桥墩构造图(单位： cm)

图12 截面配筋图(单位： cm)

图13 桥墩截面模型

取受力最不利的主墩进行验算，并考虑偏心受压构件的轴向力承载能力极限状态偏心距增大系数η。结合 Midas计算成果，墩底轴力及弯矩如表4和表5所示。

结合 Midas 计算结果，将墩柱轴力及弯矩与墩柱P-M对比，如图14所示(对称截面故仅取弯矩正值)。

表4 顺桥向截面内力表(考虑偏心增大系数)工况轴力/kN弯矩/(kN·m)η轴力最大99 19814 8852.9弯矩最大94 50427 3872.7

表5 横桥向截面内力表(考虑偏心增大系数)工况轴力/kN弯矩 /(kN·m)η轴力最大99 19811 5742.2弯矩最大94 50535 7431.4

由弯矩曲率包络图可知，墩柱在正常使用极限状态下的承载力可满足100 a风作用下的静力响应，且具有一定冗余度。

a)顺桥向

b)横桥向

5 结语

本文针对三家昌化江大桥主桥百年静风荷载下的桥梁响应进行了分析，桥梁设计方案在该桥位的100 a重现期静风作用下性能均满足要求，为该类桥梁的抗风设计提供了一定指导作用。