鄧雄暉，王玉銀

（1.廈深鐵路廣東有限公司，518031 廣東深圳;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱）

大跨鋼桁梁橋加勁柔性拱施工階段抗風(fēng)性能

鄧雄暉1，王玉銀2

（1.廈深鐵路廣東有限公司，518031 廣東深圳;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，150090 哈爾濱）

為研究大跨度鋼桁梁柔性拱橋在柔性拱施工階段的抗風(fēng)性能，以世界最大跨度的該類(lèi)橋梁——廈深鐵路榕江特大橋?yàn)槔?，?duì)柔性拱施工階段的抗風(fēng)性能進(jìn)行系統(tǒng)分析，研究柔性拱合攏點(diǎn)位置對(duì)拱肋抗風(fēng)性能的影響.基于分析結(jié)果開(kāi)展不同抗風(fēng)措施的比選和優(yōu)化，并針對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)特征提出新型抗風(fēng)措施.結(jié)果表明，柔性拱施工階段的抗風(fēng)問(wèn)題突出，需要采取必要的抗風(fēng)措施對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)抗風(fēng)防護(hù).本文提出的新型抗風(fēng)措施(內(nèi)部纜索法)效果明顯，為類(lèi)似工程的抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供參考.

鋼桁梁;柔性拱;鐵路橋梁;抗風(fēng);施工

近年來(lái)，高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)為鋼桁梁橋［1－4］的發(fā)展帶來(lái)了新的契機(jī)，同時(shí)，對(duì)其跨越能力的要求也不斷增大.為了提高跨越能力，鋼桁梁橋從單純的梁式橋向剛性加勁懸索鋼桁梁橋及鋼桁梁柔性拱橋等新型結(jié)構(gòu)形式不斷衍變［5］.鋼桁梁柔性拱橋由于同時(shí)具有鋼桁梁橋與鋼拱橋的優(yōu)點(diǎn)，顯著提高鋼桁梁橋的跨越能力，近年來(lái)得到廣泛應(yīng)用.已建成的鋼桁梁柔性拱橋包括閩江特大橋(主跨198 m)、黃河特大橋(主跨132 m)和京滬高鐵黃河大橋(主跨168 m)等多座鐵路橋梁(見(jiàn)圖 1)［6］.

廈深鐵路榕江特大橋是一座在建的下承式鋼桁梁柔性拱橋，跨度組合為110 m+220 m+220 m+110 m.建成后，將成為世界上最大跨度的鋼桁梁柔性拱組合橋.鋼桁梁由帶豎桿N型三角桁架拼接而成，節(jié)間長(zhǎng)度11.0 m，其中邊跨由10個(gè)節(jié)間組成，中跨由20個(gè)節(jié)間組成.鋼桁架節(jié)間高度和寬度均為15.0 m，斜腹桿傾角為53.7°，主橋立面布置如圖2所示.

圖1 典型鋼桁梁柔性拱橋

圖2 榕江橋立面布置圖(單位:m)

為了增加鋼桁梁的跨越能力，梁體上部采用柔性拱進(jìn)行加勁以提高梁體剛度.柔性拱按二次拋物線布置，矢高(上弦以上)44.0 m，矢跨比1/5.榕江橋所處場(chǎng)址位于臺(tái)風(fēng)區(qū)，該地區(qū)設(shè)計(jì)基本風(fēng)壓0.95 kPa，5～10月常有臺(tái)風(fēng)，風(fēng)力一般在10級(jí)以上.以2009年為例，該地區(qū)共經(jīng)受大小臺(tái)風(fēng)及強(qiáng)熱帶風(fēng)暴22次，最大風(fēng)速達(dá)38 m/s.因此，榕江橋在懸臂拼裝施工過(guò)程中很有可能遭受臺(tái)風(fēng)的襲擊，尤其是柔性拱在合攏之前距水面高度最大達(dá)97 m，施工階段抗風(fēng)問(wèn)題突出，必須對(duì)拱肋的吊裝方案進(jìn)行充分的抗風(fēng)驗(yàn)算并采取可行的抗風(fēng)措施以保證該橋在施工階段能夠抵抗臺(tái)風(fēng)的侵襲［7－10］.

1 有限元模型及風(fēng)荷載

1.1 有限元模型

采用橋梁設(shè)計(jì)有限元軟件 MIDAS(CIVIL2006)建立了榕江橋鋼桁梁及上部鋼拱吊裝施工的有限元模型，采用梁?jiǎn)卧撹炝旱蔫旒軛U件及拱肋桿件，采用板單元建立橋面系(見(jiàn)圖3).鋼桁梁桁架桿件和橋面系鋼材強(qiáng)度等級(jí)均為Q370qE，容許應(yīng)力220 MPa，材料彈性模量E=2.0×105MPa，泊松比ν=0.3.

圖3 榕江特大橋有限元模型

1.2 風(fēng)荷載計(jì)算

橋梁建設(shè)地點(diǎn)的基本風(fēng)壓按百年一遇基本風(fēng)壓0.95 kPa取值，根據(jù)《鐵路橋涵設(shè)計(jì)基本規(guī)范》(TB10002.1—2005)規(guī)定，風(fēng)載體形系數(shù)取1.3，風(fēng)壓高度變化系數(shù)取1.37，地形、地理?xiàng)l件系數(shù)取1.3，對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)壓為2.2 kPa，相應(yīng)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為59.3 m/s.根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60－01—2004)規(guī)定，施工階段的設(shè)計(jì)風(fēng)速應(yīng)根據(jù)施工周期與臺(tái)風(fēng)出現(xiàn)頻率進(jìn)行折減.根據(jù)榕江橋施工特點(diǎn)及施工單位要求，取風(fēng)速重現(xiàn)期為10 a對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)0.84，即施工階段的設(shè)計(jì)風(fēng)速為49.8 m/s.脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)基于蒙特卡洛(Monte－Carlo)法生成，動(dòng)力時(shí)程分析中阻尼比取為0.005.

2 拱肋合攏位置優(yōu)化

柔性鋼拱外形與普通鋼拱相同，但受力性能存在顯著差異:在豎向平面內(nèi)，鋼拱承受通過(guò)吊桿(方鋼管)傳來(lái)的部分豎向荷載;在水平方向，鋼拱與鋼管吊桿共同抵抗水平荷載.因此，柔性拱的抗風(fēng)性能由鋼拱和鋼管吊桿的水平抗彎剛度綜合決定.這導(dǎo)致合攏位置的不同會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能，因?yàn)殇摴暗拿嫱饪箯潉偠入S著吊裝節(jié)段的增加而降低，而鋼管吊桿的抗彎剛度則在吊裝至拱頂位置時(shí)最低(此時(shí)懸臂高度最大).為了綜合確定柔性拱的抗風(fēng)性能，并選擇合理的合攏位置，需針對(duì)合攏位置對(duì)柔性拱抗風(fēng)性能的影響進(jìn)行驗(yàn)算.

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的施工條件和構(gòu)件的運(yùn)輸條件，柔性拱采用60 t架梁吊機(jī)吊裝施工，按25 m范圍內(nèi)起吊能力60 t設(shè)計(jì).吊機(jī)采用單桅桿方案，自質(zhì)量約200 t.根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件，選擇自兩邊跨向中跨方向吊裝柔性拱(見(jiàn)圖4).合攏點(diǎn)自拱頂?shù)焦澳_共9個(gè)位置，編號(hào)如圖5所示.在沒(méi)有任何抗風(fēng)措施情況下，拱肋在動(dòng)風(fēng)荷載作用下的最大應(yīng)力如圖5所示.可以看出，此時(shí)各合攏位置對(duì)應(yīng)的拱肋最大應(yīng)力均已超過(guò)設(shè)計(jì)允許應(yīng)力220 MPa，其中工況4對(duì)應(yīng)的應(yīng)力最大，達(dá)335 MPa.這是因?yàn)椋瑐?cè)向風(fēng)荷載作用下，未合攏的拱肋在豎向和水平向均為懸臂梁的受力狀態(tài)，豎向彎曲應(yīng)力和水平彎曲應(yīng)力的耦合作用在工況4時(shí)達(dá)到最大值.相反，最大應(yīng)力在工況6以后明顯降低且變化幅度趨緩.因此，根據(jù)抗風(fēng)性能和吊車(chē)施工需要，選擇應(yīng)力較低工況7位置進(jìn)行拱肋合攏，如圖4(b)所示.

圖4 柔性拱吊裝方案示意圖

圖5 拱肋在動(dòng)風(fēng)荷載作用下的最大應(yīng)力

3 抗風(fēng)措施比選及優(yōu)化

3.1 抗風(fēng)措施比選

通過(guò)以上分析可知，在無(wú)任何抗風(fēng)措施條件下，拱肋在動(dòng)風(fēng)荷載作用下的峰值應(yīng)力已超過(guò)設(shè)計(jì)允許應(yīng)力，因此，必須采取必要的抗風(fēng)措施改善結(jié)構(gòu)的受力性能.根據(jù)該橋的結(jié)構(gòu)特征及現(xiàn)場(chǎng)條件提出以下抗風(fēng)措施并對(duì)其有效性進(jìn)行比選:

1)外部纜索法.常用于各類(lèi)橋梁，尤其是拱橋施工階段的抗風(fēng)措施中，將鋼絞線纜索一端連接于拱肋，另一端錨固于河床上，如圖6(a)所示.

2)內(nèi)部纜索法.是針對(duì)柔性拱結(jié)構(gòu)特點(diǎn)提出的新型抗風(fēng)措施，將鋼絞線纜索一端連接于拱肋，另一端錨固于橋面系桁架弦桿上，如圖6(b)所示.

圖6 兩種抗風(fēng)措施示意圖

采用相同截面尺寸(直徑12.7 mm)、相同布置位置(均為拱頂和合攏位置)和相同數(shù)量(20根)的纜索對(duì)拱肋進(jìn)行抗風(fēng)驗(yàn)算，拱肋最大應(yīng)力、最大變形與無(wú)抗風(fēng)措施情況下的計(jì)算結(jié)果如表1所示.可以看出，內(nèi)部纜索法可以更加有效地改善拱肋的抗風(fēng)性能，同時(shí)降低拱肋的最大應(yīng)力和最大位移.這是因?yàn)榕c外部纜索法相比，內(nèi)部纜索法所需纜索長(zhǎng)度較短，纜索的線剛度明顯大于外部纜索，故而增加了結(jié)構(gòu)的側(cè)向抗彎剛度.除受力性能方面的優(yōu)勢(shì)外，內(nèi)部纜索法較外部纜索法材料用量更少，且施工方便易行，故選擇該方案作為本工程的抗風(fēng)措施.

表1 抗風(fēng)措施對(duì)比

3.2 抗風(fēng)纜索布置位置與數(shù)量比選

上文的分析將20根纜索布置于同一位置，但在實(shí)際施工過(guò)程中，同一位置可布置的纜索數(shù)量有限，因此，需要對(duì)纜索的具體布置位置和數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化，使結(jié)構(gòu)受力合理且經(jīng)濟(jì)性能較好.柔性拱在側(cè)向風(fēng)荷載作用下，決定其側(cè)向剛度的部位主要是拱頂位置(懸臂高度最大)和合攏點(diǎn)位置(懸臂長(zhǎng)度最大)，因此，纜索布置于這兩個(gè)區(qū)段內(nèi)，如圖7中的a－e吊桿之間.具體設(shè)置了以下4種布置方法:

針對(duì)以上4種工況開(kāi)展動(dòng)力時(shí)程分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2.可以看出，方案4對(duì)柔性拱的抗風(fēng)性能改善作用最大，因此，選擇該方案作為本項(xiàng)目的抗風(fēng)布置方案.

圖7 抗風(fēng)纜索布置示意圖

表2 不同纜索布置方案對(duì)應(yīng)風(fēng)致動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果

4 結(jié)論

1)柔性拱的抗風(fēng)性能由鋼拱和鋼管吊桿的水平抗彎剛度綜合決定，這導(dǎo)致合攏位置的不同會(huì)顯著影響結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能:拱肋最大動(dòng)應(yīng)力隨合攏位置的偏移(自拱頂?shù)焦澳_)先增大后減小，且在離拱頂3個(gè)吊桿間距時(shí)達(dá)到最大值.

2)柔性拱在未合攏前抗風(fēng)能力最弱，在無(wú)任何抗風(fēng)措施條件下，任何合攏位置的拱肋最大動(dòng)應(yīng)力均超過(guò)設(shè)計(jì)允許應(yīng)力，因此，柔性拱在施工過(guò)程中必須采取抗風(fēng)措施.

3)本文提出的新型抗風(fēng)措施(內(nèi)部纜索法)效果顯著，適合作為類(lèi)似工程的抗風(fēng)措施.

［1］BIGNELL J L，M LAFAVE J，HAWKINS N M.Seismic vulnerability assessment of wall pier supported highway bridges［J］.Engineering Structures，2005，27(14):2044－2063.

［2］CETINKAYA T，NAKAMURA S，TAKAHASHI K.A static analysis-based method for estimating the maximum out-of-plane inelastic seismic response of steel arch bridges［J］.Engineering Structures，2006，28(5):635－647.

［3］SPYRAKOS C C，RAFTOYIANNIS I G，ERMOPOULOS J C.Condition assessment and retrofit of a historic steel-truss railway bridge［J］.Journal of Constructional Steel Research，2004，60(8):1213 －1225.

［4］AZIZINAMINI A.Full scale testing of old steel truss bridge［J］.Journal of Constructional Steel Research，2002，58(5/6/7/8):843－858.

［5］YANG Hua，LIU Changyong，SUN Ying，et al.Wind suction effect on long span stiffened steel truss bridges during erection［J］.Journal of Constructional Steel Research，2012，71:38－51.

［6］王鈺.大跨度鋼桁梁柔性拱組合橋施工階段抗風(fēng)性能分析［J］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，43(Sup 2):344－348.

［7］SHAMA A A，MANDER J B，CHEN S S，et al.Ambient vibration and seismic evaluation of a cantilever truss bridge［J］.Engineering Structures，2011，23(10):1281－1292.

［8］MEHTA S.Evaluation and retrofit issues for steel truss bridges in Eastern united states［J］.Bridge Engineering ASCE，2010，15(5):581－596.

［9］POPOV O A，MONOV B N，KOMOUKHOV G P，et al.Standard structural solutions in steel bridges［J］.Journal of Constructional Steel Research，1997，46(1/2/3):60－61.

［10］BOSCH H R.Aerodynamic stability of a truss-stiffened cable-stayed bridge［J］.Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1990(36):1331－1340.

Wind-resistant behavior of long-span steel truss bridge during construction of flexible arches

DENG Xiong-hui1，WANG Yu-yin2

(1.Xiamen Railway Co.Ltd，518031 Shenzhen，Guangdong，China;2.School of Civil Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China)

To investigate the wind-resistant behavior of long-span steel truss bridge during construction of flexible arches，taking the world's longest steel truss bridge with flexible arches as an example，the influence of closure position on the wind-resistant behavior has been studied，and based on the analysis results，different wind-resistant measures are proposed and compared，and an innovative measure is proposed according to the mechanical characteristics of this bridge.The results show that the protection against wind damage should be placed in a prominent position especially during the erection of the flexible arches.The innovative measure is effective，and provides reference to similar projects.

steel truss;flexible arches;railway bridge;wind-resistant;construction

TU973

A

0367－6234(2012)04－0145－04

2012－01－20.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178146);鐵道部科技攻關(guān)重點(diǎn)項(xiàng)目(2010G004).

鄧雄暉(1964—)，男，工程師.

王玉銀，wangyuyin@hit.edu.cn.

(編輯 劉 彤)