丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體施工抗風(fēng)穩(wěn)定性分析

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1、丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體施工抗風(fēng)穩(wěn)定性分析鄭史雄廖海黎周述華（西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院）【摘要】本文首先通過(guò)模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得丫譬沙大橋轉(zhuǎn)體施工時(shí)各結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)大橋施工狀態(tài)進(jìn)行了抗風(fēng)穩(wěn)定性研究及風(fēng)致內(nèi)力分析，分析表明丫含沙大橋轉(zhuǎn)體施工時(shí)不會(huì)發(fā)生風(fēng)致傾覆及風(fēng)致強(qiáng)度問(wèn)題。關(guān)鍵詞鋼管混凝土拱橋轉(zhuǎn)體施工抗風(fēng)穩(wěn)定性風(fēng)洞試驗(yàn)一、概述廣州丫髻沙大橋主橋?yàn)殇摴芑炷料禇U拱橋，主跨達(dá)360m，為目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)橋梁之最。因橋位地形、橋下通航、橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)等原因，該橋采用轉(zhuǎn)體施工工藝進(jìn)行施工。其主要過(guò)程是先在支架上形成拱肋，然后堅(jiān)轉(zhuǎn)主拱肋至設(shè)計(jì)高度，而后又整體平轉(zhuǎn)到位。在平轉(zhuǎn)過(guò)程

2、中主、邊拱肋均脫離了施工支架，整個(gè)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤(pán)支撐。丫髻沙大橋地處沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，其施工設(shè)計(jì)風(fēng)速為35.4m／s。在平轉(zhuǎn)時(shí)主、邊拱肋懸臂長(zhǎng)度均較大，其主拱肋懸臂水平投影長(zhǎng)度達(dá)172m，邊拱肋懸臂水平投影長(zhǎng)度為72m，兩者相差又較大，因而其所受的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)載很大，且會(huì)力作用點(diǎn)又有較大的偏心。因此橋梁在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的抗風(fēng)安全性是設(shè)計(jì)、施工等單位所十分關(guān)心的問(wèn)題，本文對(duì)該橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的風(fēng)致傾覆穩(wěn)定性和風(fēng)致內(nèi)力進(jìn)行了模型風(fēng)洞試驗(yàn)及計(jì)算分析研究。丫髻沙大橋的轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)由索塔、邊拱、主拱和轉(zhuǎn)盤(pán)等組成。鑒于實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)造、空氣三維流動(dòng)、風(fēng)向角等的復(fù)雜性，本文采取了將風(fēng)洞模型試驗(yàn)與有

3、限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。下面介紹采用該方法進(jìn)行研究的主要過(guò)程及結(jié)論。二、模型風(fēng)洞試驗(yàn)為了研究丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性和風(fēng)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力，首先應(yīng)獲得結(jié)構(gòu)上作用的風(fēng)力，對(duì)于三維空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其風(fēng)致作用力應(yīng)有6個(gè)分量，即六分力。模型風(fēng)洞試驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量風(fēng)在模型上作用的六分力，進(jìn)而求得相應(yīng)的六分力系數(shù)，為有限元數(shù)值分析提供數(shù)據(jù)。如分別以Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，My，Mz表示六分力，以Cx，Cy，Cz，CMx，CMy，CMz表示相應(yīng)的六分力系數(shù)。則可定義：力式中，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速，H和B為結(jié)構(gòu)特征尺度，原則上可取任何尺寸，本文統(tǒng)一取H為塔高，B為兩拱之間特征尺

4、度。這樣，根據(jù)模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的模型的六分力及試驗(yàn)風(fēng)速，即可求得相應(yīng)的六分力系數(shù)。模型試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XNJD-1風(fēng)洞第一試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段尺寸為3.6mX3.0mX8.0m（寬X高X長(zhǎng)），穩(wěn)定風(fēng)速為0.5～22.5m／s。根據(jù)試驗(yàn)段尺寸及測(cè)力試驗(yàn)的要求，將模型幾何縮尺比取為1:120。模型由索塔、主拱（含撐架）、邊拱和上轉(zhuǎn)盤(pán)幾部分構(gòu)成，索塔、主拱和邊拱采用不同直徑的細(xì)銅棒及薄銅板焊接而成，上轉(zhuǎn)盤(pán)用硬木加工而成。測(cè)力用的六分量天平安裝在模型上轉(zhuǎn)盤(pán)底部。為了保證模型區(qū)的流場(chǎng)品質(zhì)，采用0.5m高的鋼管立柱將模型升高。鋼管立柱下端與風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤(pán)相連，轉(zhuǎn)盤(pán)可在水平面內(nèi)作360°回轉(zhuǎn)

5、，以改變模型的水平偏角（β角）。β角的定義為：當(dāng)風(fēng)向與橋跨向正交時(shí)且沿如圖1所示x軸負(fù)向時(shí)，β=0°；當(dāng)風(fēng)向?yàn)轫槝蛳驎r(shí)，β=+90°表示風(fēng)自主跨向邊跨方向吹；β=-90°表示風(fēng)自邊跨向主跨方向吹。試驗(yàn)在均勻流條件下進(jìn)行，來(lái)流速度由設(shè)置的模型上風(fēng)側(cè)的熱線風(fēng)速儀測(cè)量。根據(jù)傾覆穩(wěn)定性及內(nèi)力的計(jì)算需要，測(cè)力試驗(yàn)除需獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)之外，還需分別獲得索塔、主拱和邊拱各自的六分力系數(shù)。為此，試驗(yàn)按索塔（狀態(tài)一）、索塔十邊拱（狀態(tài)二）、索塔十主拱（狀態(tài)三）、索塔十邊拱十主拱（狀態(tài)四）四種狀態(tài)進(jìn)行。這樣，如取相同的結(jié)構(gòu)特征尺度，由狀態(tài)二所得的六分力系數(shù)減去狀態(tài)一所得的六分力系數(shù)即為

6、邊拱的六分力系數(shù)；由狀態(tài)三所得的六分力系數(shù)減去狀態(tài)一所得的六分力系數(shù)即為主拱的六分力系數(shù)，索塔和全結(jié)構(gòu)各自的六分力系數(shù)分別由狀態(tài)一和狀態(tài)四的求得。考慮到轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中可能遭遇各個(gè)方向來(lái)風(fēng)，試驗(yàn)的水平偏角共設(shè)置13個(gè)，即從β=-90°到β=+90°，每15°一個(gè)間隔，每個(gè)偏角情況下的六分力均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得，試驗(yàn)風(fēng)速取V＝6m／s和V＝10m／s兩種，以考查雷諾數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。試驗(yàn)表明，在每種β角情況下，由狀態(tài)一、二、三獲得的索塔、邊拱和主拱各自的六分力系數(shù)之和。均與狀態(tài)四測(cè)得的全結(jié)構(gòu)六分力系數(shù)之值吻合良好。這表明，對(duì)于此類(lèi)透風(fēng)良好的行架結(jié)構(gòu)，各部分之間的流場(chǎng)相互干擾作

7、用微弱，可忽略不計(jì)，按前述方法分四種狀態(tài)測(cè)量索塔、邊拱、主拱等各自的六分力系數(shù)是合理的。試驗(yàn)還表明。每個(gè)水平偏角時(shí)兩種風(fēng)速下獲得的六分力系數(shù)基本一致。這說(shuō)明在此風(fēng)速范圍內(nèi)雷諾數(shù)影響不大，同時(shí)也避免了測(cè)量中的偶然誤差。限于篇幅，本文僅給出表1所示的全結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)。三、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能計(jì)算分析根據(jù)丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)先主拱豎轉(zhuǎn)然后整體平轉(zhuǎn)，而主拱豎轉(zhuǎn)時(shí)邊拱有支架支撐，因而施工過(guò)程中風(fēng)致最不利狀態(tài)應(yīng)為平轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)，其風(fēng)致內(nèi)力的控制截面位于塔底和拱腳。本文采用基于三維有限元方法的橋梁結(jié)構(gòu)分析程序BSSAP計(jì)