润扬长江公路大桥南桥猫道抗风稳定性研究

润扬长江公路大桥南桥猫道抗风稳定性研究

1投资新设计理念在大跨径悬索桥施工中的应用润阳长江大桥南侧新桥主跨径为1890米。作为悬索桥架设施工中十分关键的柔性结构,施工猫道对风的作用较为敏感,因而其抗风稳定性问题是必须研究的。润扬长江公路大桥桥位江面开阔,根据气象资料,设计基准风速达29.1m/s。在自然风力作用下,猫道结构的抗风稳定性和振动对结构及施工人员安全、施工作业条件及工程质量均有重要影响。为了节省材料、工期及费用,同时保证满足通航要求,润扬长江公路大桥施工猫道将采用无抗风索的结构形式。在大跨径悬索桥施工中采用该项施工新技术,需要解决的首要问题是如何确保猫道结构的抗风安全性和减小振动。危及猫道抗风安全性的主要因素是结构的抗风稳定性,对抗风稳定性做出准确的评估和采取合理的提高抗风稳定性的措施是保证猫道抗风安全性的前提。关于猫道的抗风稳定性评估,目前国内外通常采用的方法有:①利用猫道整体模型,通过风洞试验直接考察抗风稳定性。②猫道节段模型测量静力系数与数值模拟计算相结合的方法。第1种方法虽能全面反映结构在风荷载作用下的静力、动力及几何非线性行为,但对于大跨悬索桥施工猫道而言,其要求风洞尺寸较大,费用也较高。第2种方法,可采用尺度较大的模型,能够较为精确地测量猫道承受的风荷载,采用非线性有限元方法对猫道抗风稳定性进行数值计算具有良好的精度,便于进行抗风措施的研究。考虑风向与桥轴正交的状态时可仅测量静力三分力系数,如要考虑非正交风作用下的猫道稳定性,则应测量其静力六分力系数。采用上述第2种方法对润扬长江公路大桥南汊桥施工猫道抗风稳定性进行了计算分析。分析表明,该桥施工猫道发生静力失稳的临界风速远高于猫道静力失稳检验风速,因而其在横桥向风作用下抗风静力稳定性安全。2猫道的安装参数2.1猫道抗风稳定性不利状态根据猫道设计资料,猫道线形平行于主缆在空缆状态时的中心线;架设钢箱梁之前,将猫道悬挂于主缆之下,并放松猫道承重钢丝绳两端的锚头,猫道抗风稳定性不利状态应为架梁之前施工主缆阶段。猫道承重缆矢高与主缆空缆矢高均为135.362m,每条猫道由10根ϕ54承重缆、扶手绳(ϕ20和ϕ16两种)、丝网、门架等组成,计算中猫道承重缆的弹性模量取为E=1.3×105MPa。猫道的各设计参数见表1。2.2设计风速的确定根据风速资料,润扬长江公路大桥场地风速剖面的幂指数为α=0.14,在成桥状态下,桥面高度处的设计基准风速为Vd=29.1m/s,施工阶段取重现期为10年,设计风速为Vsd=24.4m/s。据《公路桥梁抗风设计指南》的规定,相应的阵风风速为阵风系数乘以设计基准风速,根据场地类别,阵风系数取1.38,即有阵风风速为Vsg=1.38Vsd=33.6m/s。为了保证猫道在施工过程中的安全,其发生静力失稳的临界风速须高于其施工阶段设计风速对应的阵风风速。3空气力模型设计试验作用于猫道上的静力风荷载与猫道的静力三分力系数有关,因此,首先进行猫道静力三分力系数的测定试验。静力三分力系数的测定可由静力节段模型风洞试验获得,该桥施工猫道的节段模型采用1∶6的几何缩尺比,由于猫道所受的空气力主要作用在钢丝网上,其大小又主要取决于钢丝网的透风率,因而在模型设计中,除了满足结构总体几何相似之外,还使模型上筛网的透风率与实型上的透风率尽量一致。试验在西南交通大学单回流串联双试验段工业风洞(XNJD-1)第二试验段中进行,试验测量了均匀流条件下的静力三分力系数,为了考查雷诺数的影响及保证试验数据准确性,试验风速取以下3个不同风速进行,每个风速时又进行多次重复性试验。试验风速为:V=10,20,30m/s,试验攻角范围为:α=-20～+20°,Δα=2°。试验表明,3种风速下所得的三分力系数一致性很好。图1给出了猫道的静力三分力系数(3个风速测量结果平均值)在风轴坐标系下随攻角的变化曲线。4行业分析及风荷载利用前面试验所得的静力三分力系数,可计算得到猫道所受的风荷载。猫道在受强风作用时,变位较大,该变位使得风攻角也发生变化,因而风载也随之改变,因此,猫道抗风静力稳定性应是几何非线性、非保守的。猫道的抗风稳定性,就其实质而论,是索结构在定常风作用下的静力稳定问题。决定猫道结构是否失稳(倾覆)的主要因素是定常风作用在结构上的空气力构成的倾覆力矩能否被结构内力所平衡。采用有限元法对润扬长江公路大桥施工猫道建模,用索单元模拟猫道承重缆和扶手绳,考虑索初始轴力对几何刚度的影响,但索单元不能承压。用梁单元模拟横梁、扶手立柱、门架、桥塔等等。分析时假定:①筛网的刚度很小,忽略筛网对刚度的影响;②桥塔的变位对猫道抗风稳定性影响较小,可忽略;③中跨猫道与边跨猫道可分别独立进行分析;④风载沿横桥向作用于猫道(风向角为β=0°),不同高度处风速按风剖面幂指数律计算。猫道结构抗风非线性分析的平衡方程为式中,[K]为刚度矩阵;F{V,u,α}为广义风荷载,其与风速V、攻角α及猫道变位u均有关。广义风荷载包括猫道上的阻力、升力和倾覆力矩,在猫道体轴系下,可表示为H为猫道高度,B为猫道宽度,ρ为空气密度。稳定性分析收敛准则为式中,ε为给定的小量;N受风荷载的节点数。经计算可得猫道各截面处在不同风速时的位移。其中横向位移、竖向位移均以中跨跨中截面为最大,扭转角则以中跨跨中附近两横通道之间的小跨跨中截面扭转角为最大。中跨跨中横向和竖向位移随风速的变化关系见图2;跨中附近两横通道之间的小跨跨中截面扭转角随风速的变化关系见图3。由图可见,当桥面高度风速达到71m/s时,小跨跨中截面扭转角急剧增大,表明猫道发生静力扭转失稳。因而,该猫道的静力发散风速为71m/s。该风速已远高于相应于施工阶段设计风速的阵风风速33.6m/s,因而,该猫道横桥向风作用下的静力稳定性是安全的。5横向风环境作用下抗风静力稳定性安全对润扬长江公路大桥南汊桥施工猫道进行的稳定性计算表明,该桥施工猫道发生静力失稳的临界风速远高于猫道静力失稳检验风速Vsg=3