大跨径斜拉桥风荷载计算方法的比较研究

大跨径斜拉桥风荷载计算方法的比较研究

对于大型斜坝桥，倾斜坝、桥塔和主梁的风荷载可以控制在设计中。斜坝风负荷的计算是否正确重要重要。现有的《道路桥梁抗风设计指南》只规定了斜坝的设计趋势，不包括斜坝的风负荷。在这种情况下，作者结合苏通长江航道的公路大桥分析了斜坝的静风负荷计算方法。1斜拉静风负荷计算方法1.1斜拉索风荷载计算方法现代大跨径斜拉桥一般采用密索体系,由斜拉索引起的风荷载对斜拉桥关键截面响应有较大的影响,笔者针对两种斜拉索风荷载计算模式进行讨论.斜拉索在风荷载的作用下,如图1所示,其计算模式有两种:一种是在建立有限元模型时,将斜拉索分成多段来考虑,风荷载直接作用在斜拉索的节点上(计算方法1);另一种是斜拉索风速采用跨中主梁断面与桥塔塔顶的平均高度处的风速,按此计算斜拉索风荷载,然后将斜拉索上的风荷载平均分配到斜拉索的两个端部节点(计算方法2).针对计算方法2,在进行分析时,作如下符号规定:FA为斜拉索上风荷载分配到斜拉索与主梁交点上的部分;FB为斜拉索风荷载分配到斜拉索与桥塔交点上的部分;F为斜拉索上总的风荷载.1.2斜拉索转导系统的c针对计算方法2,取斜拉索平均高度处的风速作为斜拉索的设计风速,对应斜拉索上的风荷载则为均布荷载,考察其端点沿水平方向的反力,从而得到斜拉索上的风荷载在两个端点上的分配关系,所选斜拉索的基本参数见表1.从图2可以看出,横桥向风荷载作用下,若不计斜拉索设计风速计算误差,斜拉索上的风荷载分配到其两端的荷载与斜拉索上总的风荷载比例不随斜拉索初应变的变化而变化,因此将斜拉索上的风荷载直接作用到斜拉索上的两个节点上是合理的.1.3斜拉索风荷载计算方法的合理性在顺桥向风荷载作用下,斜拉索上的风荷载简化计算方法是直接将作用在斜拉索上的风荷载平均到斜拉索与桥塔、主梁的交点上,这种计算方法在什么样的条件下是合理的,值得研究.笔者分别针对图3所示的两种工况,在桥位基本风速为38.9m·s-1的前提下,讨论斜拉索风荷载在两端分配比例与斜拉索初应变、倾角的关系.1.3.1斜拉索初应变大时的载从图4可以看出,不论风是指向斜拉索上升方向还是指向斜拉索下降方向,作用在斜拉索上的风荷载只有当斜拉索的初应变较大时(>0.8%)才可以近似地平均分配到斜拉索的两个端点上.而实际上斜拉索的初应变一般在0.3%左右,对于本文所研究的倾角为25.4°的斜拉索,此时作用在斜拉索上的风荷载不但全部作用在斜拉索与主梁交接的点处,同时对桥塔还有反向“拉”的作用.1.3.2斜拉索倾角的影响针对表1所示的斜拉索,在初应变为0.00268时,研究对应端部风荷载分配比例与倾角的关系.通过分析可得到顺桥向风荷载作用下斜拉索端部荷载分配比例随斜拉索倾角的变化曲线,从图5可以看出,当斜拉索倾角位于15°~45°或135°~175°之间,初应变为0.3%左右时,作用在斜拉索上的风荷载主要分布在主梁上,且可能出现对桥塔反向的“拉”的作用,而不是计算方法2中的“压”的作用.当且仅当斜拉索倾角为90°时,两者的荷载分配才是平分的.综合以上分析,可以表明,对于横桥向风荷载作用下,作用在斜拉索上的风荷载可以平均地分配到其两个端点上;而顺桥向风荷载作用下,斜拉索上的风荷载只有在极少的情况下才可以平均分配到两个端点上,对于大多数斜拉索由于其倾角一般在20°~90°之间,成桥状态斜拉索应变为0.3%左右,对于大部分斜拉索一般不宜采用简化方法(计算方法2)来计算斜拉索顺桥向风荷载效应.2采用不同的计算方法对倾斜桥的静风负荷进行了比较分析2.1跨连续钢箱梁-斜拉索桥以苏通长江公路大桥为例来研究斜拉桥静风荷载不同计算方法的差别.苏通长江公路大桥主桥为7跨连续钢箱梁双塔斜拉桥,主梁采用全封闭扁平流线型钢箱梁,宽41.0m,主梁中心线处高度4.0m,跨径布置100m+100m+300m+1088m+300m+100m+100m,斜拉索采用平行钢丝,塔高300.4m.2.2桥塔阻力验算斜拉索用分段索单元模拟,桥塔、桥墩、主梁及桩基础用梁单元模拟,建立有限元模型如图6所示.主梁三分力系数通过节段模型风洞试验来得到,试验模型缩尺比为1∶70,试验风速为v∞=12m·s-1,在+3°攻角时主梁三分力系数为:CD=0.9791,CL=-0.1471,CM=0.0642.由于桥塔为变截面的倒Y型桥塔,故分别选上、中、下塔柱的典型断面来计算桥塔阻力系数,阻力系数定义为CD=FD12ρv2∞H(4)CD=FD12ρv∞2Η(4)式中:FD为桥塔方向每延米阻力;v∞为来流风速;ρ为空气密度;H为桥塔塔柱横风向的特征尺寸,分别为9.0,10.8,15.0m,桥塔阻力系数分布如图7所示.斜拉索阻力系数取为CD=0.8.2.3桥面风荷载作用按表2所列的两种计算模式进行计算,并将计算结果与全桥模型试验进行了对比分析,如图8~11所示,其中横坐标vdeck为桥梁桥面高度处设计风速.从图8~11可以看出,斜拉索的风荷载计算模式对计算结果影响较大,将风荷载作用到斜拉索分段节点上的计算结果与试验较为吻合;对于主跨千米级的斜拉桥,当桥面设计风速较小时,将作用在斜拉索上的风荷载作用近似分配到对应斜拉索与桥塔、主梁锚固点上所引起的误差较小;而当桥面设计风速较大时,斜拉索风荷载计算方法2导致计算结果偏大.3斜拉索分段节点上的风荷载响应分析通过对大跨径斜拉桥斜拉索静风作用计算方法的研究,可以得到如下结论:(1)在横桥向风荷载作用下,若不考虑斜拉索设计风速简化计算误差,斜拉索上的风荷载以斜拉索的平均高度处的风速作为设计风速,由此计算得到的斜拉索风荷载可以平均分配到斜拉索与桥塔、主梁对应的节点上.(2)顺桥向风荷载作用下,斜拉索上的风荷载只有在极少的情况下才可以平均分配到两个端点上,对于大多数斜拉索由于其倾角一般在20°~90°之间,斜拉索初应变为0.3%左右,故一般不宜采用简化的方法来计算斜拉索顺桥向风荷载效应,而应将风荷载直接作用在斜拉索分段节点上.(3)从成桥状态横桥向风荷载响应计算比较可以看出,斜拉索设计风速计算误差对计算结果影响较大,考虑斜