俞 伯 林

(福州市城鄉(xiāng)建設(shè)發(fā)展有限公司， 福建 福州 350003)

大跨度鋼混凝土混合連續(xù)梁橋在懸臂施工階段，隨著懸臂長度的增長，橋梁柔度增加，在風(fēng)荷載特別是在臺風(fēng)荷載作用下，將在墩梁交接處產(chǎn)生較大的應(yīng)力和位移。因此，在大跨度橋梁施工過程中，風(fēng)荷載尤其是臺風(fēng)荷載對橋梁的作用成為控制橋梁結(jié)構(gòu)安全的重要因素[1]；臺風(fēng)荷載作用下大跨度橋梁的響應(yīng)研究及相應(yīng)施工控制措施是沿海地區(qū)橋梁建設(shè)的重要課題之一[2]。

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[3](JTG D60—2015)和《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[4](JTG/T D60-01—2004)的規(guī)定，臺風(fēng)荷載對結(jié)構(gòu)的作用可以等效為作用于橋梁上的均布靜力荷載作用。為了研究抖振、渦振對大跨度橋梁受力性能的影響，曾憲武等[5]、廖麗恒等[6]、Yang等[7]、Tan等[8]采用不同方法對不同類型橋梁的風(fēng)致振動進行了計算分析。但這些分析大多是成橋狀態(tài)的受力分析，涉及大跨度橋梁懸臂施工過程中的臺風(fēng)風(fēng)險和抗臺風(fēng)措施研究[9-10]較少。

本文以大跨度鋼混混合連續(xù)梁橋—馬尾大橋主橋為研究對象[12-14]，將施工過程中橋梁承受的臺風(fēng)荷載等效為均布靜力荷載，利用有限元計算[15]和實橋測試對大橋在施工過程中的臺風(fēng)荷載響應(yīng)進行分析和驗證，計算大橋在臺風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力和位移響應(yīng)，并對大橋在施工過程中遭遇臺風(fēng)影響的風(fēng)險進行評估。

1 工程背景

馬尾大橋跨江段主橋分左右幅采用雙向八車道規(guī)模，橋面寬度42.5 m。如圖1所示，主橋孔跨布置為71 m+83 m+123.5 m+240 m+123.5 m+83 m+71 m=795 m，分為主、副橋兩聯(lián)。主橋根部采用空腹式V型變高度梁，主V撐空腹部分上弦對應(yīng)支點位置梁高3.8 m，下弦豎向高度4.5 m。通航主跨采用240 m空腹式鋼混凝土混合變截面連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)。中跨跨中96 m采用鋼箱梁，其余部分全部采用預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)，截面為單箱雙室直腹板截面。主梁混凝土采用C55。

圖1馬尾大橋主橋布置圖(單位：cm)

2 有限元模型

2.1 有限元模型建立

采用橋梁專業(yè)軟件MIDAS/Civil進行分析計算，空間計算模型見圖2。全橋共587個節(jié)點，494個梁單元。建立的有限元模型真實地模擬了主橋各梁段(如截面變化復(fù)雜的梁段：主V結(jié)構(gòu)、次邊V結(jié)構(gòu)、邊V結(jié)構(gòu)以及相對應(yīng)的上弦梁截面等)的截面形狀和受力狀態(tài)。

圖2有限元計算模型

根據(jù)《公路橋涵設(shè)計通用規(guī)范》[3](JTG D60—2015)的規(guī)定，將“橫橋向風(fēng)荷載水平地垂直作用于橋梁迎風(fēng)面積的形心上”，其標(biāo)準(zhǔn)值

Fwh=k0k1k3WdAwh

(1)

式中：k0是設(shè)計風(fēng)速重現(xiàn)期換算系數(shù)，對于單孔跨徑指標(biāo)是特大橋和大橋的橋梁而言，k0=1.0，對于施工架設(shè)期橋梁，k0=0.75；k1是風(fēng)載阻力系數(shù)，按通規(guī)取值；k3是地形、地理條件系數(shù)，根據(jù)大橋所處的地理條件，k3=1.0。

根據(jù)實測或氣象資料得到的臺風(fēng)條件下的風(fēng)速資料(臺風(fēng)條件下的最大風(fēng)速Vt)，參照通規(guī)計算公式，計算臺風(fēng)條件下的計算風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值

(2)

γ=0.012017e-0.001Z

(3)

式中：γ是空氣重力密度，kN/m3，g=9.81 m/s2是重力加速度；Z是距離水面的高度，對于馬尾大橋按30 m進行取值。

依據(jù)氣象資料，根據(jù)臺風(fēng)等級將臺風(fēng)風(fēng)速設(shè)置為7個不同等級，見表1所示。取劃分臺風(fēng)等級的風(fēng)速最小值作為臺風(fēng)風(fēng)速，根據(jù)臺風(fēng)風(fēng)速計算臺風(fēng)風(fēng)壓和臺風(fēng)荷載集度，并將其作為靜力荷載作用于橋梁迎風(fēng)面的橫橋向。

表1 臺風(fēng)等級和臺風(fēng)風(fēng)速取值

2.2 施工階段的選擇

隨著主梁懸臂施工長度的增加，臺風(fēng)荷載作用下內(nèi)力和應(yīng)力控制截面(即應(yīng)變測試截面)的內(nèi)力和應(yīng)力逐漸增加。選取如表2所示的四個施工階段，對不同等級臺風(fēng)荷載作用下應(yīng)變測試截面的應(yīng)力應(yīng)變進行計算，并與恒載作用下的應(yīng)力應(yīng)變進行組合。

表2 施工階段的選擇

2.3 最不利位置分析

利用有限元模型計算各個施工階段及成橋階段馬尾大橋主梁在18級臺風(fēng)荷載作用下的內(nèi)力和應(yīng)變?；炷潦芰ψ畈焕恢每赡艹霈F(xiàn)在三處：(1) 主V撐上弦根部：墩梁交界位置；(2) 主V撐下弦根部：墩梁交界位置；(3) 主V撐上下弦交界位置。以成橋階段為例，在臺風(fēng)荷載作用下，彎矩計算結(jié)果如圖3所示，其應(yīng)力計算結(jié)果如圖4所示?？刂平孛婢挥谥鱒撐的主跨側(cè)，截面位置如圖5所示。

圖3 成橋階段：18級臺風(fēng)作用下的內(nèi)力分布

圖4 成橋階段：18級臺風(fēng)作用下的應(yīng)力分布

圖5計算控制截面位置示意圖(單位：cm)

3 分析結(jié)果和驗證

3.1 應(yīng)力

利用建立的有限元模型，對臺風(fēng)荷載作用和臺風(fēng)荷載與永久荷載組合作用下控制截面的應(yīng)力進行計算，計算結(jié)果分別如圖6和圖7所示。

將C55混凝土的極限拉應(yīng)力一并示于圖7。從應(yīng)力結(jié)果可以看出：

(1) 鋼混結(jié)合段施工完成狀態(tài)(施工階段4)是主梁內(nèi)力和應(yīng)力的最不利施工階段。由于此時主梁懸臂長度最大，在臺風(fēng)荷載作用下，主梁內(nèi)力和應(yīng)力最大。

圖6在不同臺風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力(單位：MPa)

(2) 同一施工工況，在不同等級的臺風(fēng)荷載作用下，測試截面的應(yīng)力隨著臺風(fēng)等級的增大而增大，應(yīng)力和臺風(fēng)等級的關(guān)系近似于線性關(guān)系。

(3) 永久荷載和臺風(fēng)荷載共同作用下，大橋各應(yīng)變測試截面的應(yīng)力不會超過C55混凝土的極限拉應(yīng)力。

圖7C55混凝土荷載組合下測試截面極限拉應(yīng)力

3.2 臺風(fēng)作用下的應(yīng)力實測結(jié)果

3.2.1 實橋應(yīng)變測點

針對橋梁應(yīng)變控制截面在臺風(fēng)荷載作用下可能發(fā)生的截面應(yīng)變，利用振弦式應(yīng)變計進行了實橋的應(yīng)變測試。應(yīng)變傳感器采用基康4200型埋入式振弦應(yīng)變計，配合四川金碼遠程自動應(yīng)變測試系統(tǒng)進行臺風(fēng)條件下應(yīng)變觀測。根據(jù)應(yīng)力控制截面，選擇如圖8所示的應(yīng)變測點布置，對臺風(fēng)荷載作用下的截面應(yīng)變進行測量，并與計算結(jié)果進行對照分析。

3.2.2 臺風(fēng)情況和實測結(jié)果

2018年7月11日上午9點，2018年第8號臺風(fēng)“瑪莉亞”在福州連江登陸，登陸時中心附近最大風(fēng)力有14級(42 m/s)，強度等級為強臺風(fēng)級。強臺風(fēng)“瑪莉亞”風(fēng)力強勁，是8月份登陸福建的最大等級臺風(fēng)?！艾斃騺啞迸_風(fēng)災(zāi)害共造成福建省福州等8市62個縣(市、區(qū))23.8萬人受災(zāi)，17萬人緊急轉(zhuǎn)移安置，700余間房屋不同程度損壞，直接經(jīng)濟損失2.4億元。

圖8應(yīng)變測點橫斷面布置

強臺風(fēng)“瑪莉亞”登陸期間，馬尾大橋鋼混結(jié)合段施工完成。為了測試大橋在臺風(fēng)荷載作用下的受力情況，驗證馬尾大橋在惡劣的臺風(fēng)天氣下的安全性，利用裝設(shè)在橋梁上的應(yīng)變傳感器和應(yīng)變測試系統(tǒng)，對“瑪莉亞”作用下的大橋應(yīng)變情況進行遠程連續(xù)監(jiān)測。每隔10 min對橋梁在臺風(fēng)荷載作用下的關(guān)鍵截面應(yīng)變進行一次應(yīng)變測試。

將臺風(fēng)荷載作用下，大橋應(yīng)變測試截面的應(yīng)變實測結(jié)果與有限元模型計算結(jié)果進行比較，如圖10所示。比較結(jié)果表明，大橋在臺風(fēng)荷載作用下的應(yīng)變實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本一致，說明了有限元計算結(jié)果的可靠性。同時，應(yīng)變實測結(jié)果比有限元計算結(jié)果略小，說明在臺風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)受力性能合理。

圖10實橋應(yīng)變實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果的比較

4 臺風(fēng)響應(yīng)及分析

利用建立的有限元模型，對各級臺風(fēng)荷載作用下，各施工階段最大懸臂端的位移進行計算。其中，成橋狀態(tài)下計算的是主跨跨中位置的最大位移。計算結(jié)果如圖11和圖12所示?？梢钥闯觯?/p>

(1) 鋼混結(jié)合段完成狀態(tài)是抗臺受力時主梁懸臂位移的最不利施工階段。鋼混凝土結(jié)合段完成狀態(tài)下，在18級臺風(fēng)荷載作用下，最大位移4.93 mm，小于規(guī)范規(guī)定限值Δ/L×1000=0.014 m。

(2) 同一個施工工況，在不同等級的臺風(fēng)荷載作用下，最大懸臂位移隨著臺風(fēng)等級的增大而增大，位移和臺風(fēng)等級的關(guān)系近似于線性關(guān)系。

圖11最大位移計算結(jié)果

圖12不同臺風(fēng)等級下主梁最大位移

5 結(jié) 論

建立了大跨度鋼混凝土混合連續(xù)梁橋馬尾大橋的有限元計算模型，將施工過程中橋梁承受的臺風(fēng)荷載等效為均布靜力荷載作用于橋梁迎風(fēng)面的橫橋向，計算大橋在臺風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力和位移響應(yīng)。

(1) 應(yīng)力計算結(jié)果表明，由于鋼混結(jié)合段施工完成時主梁懸臂長度最大，此階段是主梁內(nèi)力和應(yīng)力的最不利施工階段。測試截面的應(yīng)力隨著臺風(fēng)等級的增大而增大，應(yīng)力和臺風(fēng)等級的關(guān)系近似于線性關(guān)系。永久荷載和臺風(fēng)荷載共同作用下，大橋各應(yīng)變測試截面的應(yīng)力不會超過C55混凝土的極限拉應(yīng)力。

(2) 臺風(fēng)荷載作用下，大橋測試截面的應(yīng)變實測結(jié)果與有限元模型計算結(jié)果進行比較。比較結(jié)果表明，大橋在臺風(fēng)荷載作用下的應(yīng)變實測結(jié)果與有限元計算結(jié)果基本一致，說明了有限元計算結(jié)果的可靠性。應(yīng)變實測結(jié)果比有限元計算結(jié)果略小，說明在臺風(fēng)荷載作用下，結(jié)構(gòu)受力性能合理。

(3) 位移計算結(jié)果表明，鋼混凝土結(jié)合段完成狀態(tài)下，在18級臺風(fēng)荷載作用下主梁最大位移小于規(guī)范規(guī)定限值。最大懸臂位移隨著臺風(fēng)等級的增大而增大，位移和臺風(fēng)等級的關(guān)系近似于線性關(guān)系。