六冲河特大桥斜拉桥设计

六冲河特大桥斜拉桥设计

1主桥结构概况贵州省黔西南路六横河特大桥位于贵州省西部南约26公里处，距织金县约24公里。这座桥的所在地约为235米。主桥为195m438m195m。混凝土垂直悬索系统斜桥，全长1088m，宽24.1m，距水面343.6m。如图1所示，这是中国最大的倾斜混凝土桥。为保证此类超高、大跨度桥梁在整个施工期间以及成桥运营过程中的抗风安全,对大桥主桥开展了抗风性能试验研究工作,本文总结了六冲河特大桥抗风性能研究的部分研究成果。2桥面基准高度桥位区位于云贵高原的中部,处于亚热带高原气候区,由于大气环流和地形的影响,气候类型较复杂,垂直变化十分明显。对于山区地形的超高、大跨度斜拉桥,现有的风特性参数模型不适用于此类大桥的抗风设计,应根据具体桥址地形适当调整。根据六冲河大桥桥址周围环境,桥面离水面高度约为343.6m,桥位10m高度处基本风速V10=25.8m/s,考虑到桥位处地形呈V字形,局部起伏较大,如以跨中桥面距离地面或水面高度来计算桥面高度处设计基准风速过于保守。对于地表起伏较大的山区地形,桥面基准高度宜采用统一的等效桥面高度Ze来描述,根据主梁跨中侧向位移等效原则来确定桥面设计基准风速的等效桥面高度Ze。据此,最终确定设计基准风速和相关风特性参数见表1。3有限元模型建立对该桥的成桥状态和施工过程中最大双悬臂、最大单悬臂分别进行了结构动力特性计算分析。根据主桥结构总体布置及构造特点,采用ANSYS通用有限元分析软件,建立空间有限元模型,如图2所示。主梁为π形断面,采用空间梁单元(BEAM4单元)模拟。桥塔采用空间梁(BEAM4单元)单元,拉索采用单向受拉杆(LINK10)单元。桥面系用质量点单元模拟,考虑平动质量和质量惯矩。结构的约束条件为:两个桥塔的承台底面完全固结;在辅助墩及过渡墩处为竖向支撑。施工状态时桥塔与主梁固结。分析结果如下。3.1扭弯频率分布加劲梁一阶对称竖弯频率为0.305Hz,扭转频率为0.591Hz,扭弯频率比为1.94。加劲梁一阶反对称竖弯频率为0.404Hz,扭转频率为0.750Hz,扭弯频率比为1.86。3.2施工最大单悬臂频率施工最大双悬臂状态,加劲梁一阶对称竖弯频率为0.634Hz,称扭转频率为0.834Hz,扭弯频率比为1.32。施工最大单悬臂状态,加劲梁一阶对称竖弯频率为0.320Hz,扭转频率为0.623Hz,扭弯频率比为1.95。依据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01—2004)计算,桥梁颤振稳定性指数计算成桥状态4.31,最大双悬臂和最大单悬臂状态分别为3.06和4.09,即颤振稳定性宜通过风洞试验进行检验。4主梁断面选取通过采用计算流体动力学(CFD)技术进行主梁及桥塔截面阻力系数的计算,调整结构构造尺寸,优化结构的抗风性能。计算的原理是采用离散的数值方法求解桥梁断面在运动状态下的涡量场及速度场分布,并根据涡动力学理论获取作用在主梁断面上的气动力。通过对比计算分析,最终主塔采用了切角的多棱形断面,主梁横向采用了迎风面倾斜的π形断面。优选后的桥塔断面相对于矩形断面其风阻系数,0°风向角由平均值1.152降低至平均值0.951;90°风向角由平均值1.106降低至平均值0.852;优选后的主梁断面相对于矩形断面其风阻系数,由平均值1.302降低至平均值1.227,较大的减小了结构风荷载效应。图3、图4所示为计算过程中的流场显示图片。5节段模型风洞试验六冲河特大桥位于山区峡谷风环境,横桥向桥面高度来流风攻角按-5°~+5°范围考虑。试验在均匀流场中进行,采用直接试验法对成桥及施工最大单悬臂状态进行了-5°、-3°、0°、+3°和+5°等5种攻角的竖弯和扭转两自由度耦合颤振试验。图5为节段模型风洞试验模型。根据实桥主梁断面尺寸、风洞试验段尺寸和直接试验法的要求,选取节段模型比例为1/70。表2为桁架断面不同气动措施节段模型颤振试验结果。从表2中结果分析比较可知:成桥状态5个风攻角对应的颤振临界风速均超过100m/s,能够满足成桥状态颤振检验风速61.5m/s的要求;施工最大双悬臂状态的颤振临界风速也均满足颤振检验风速58.6m/s的要求;施工最大单悬臂状态的颤振临界风速也均满足颤振检验风速59.9m/s的要求。6单桥群型该桥成桥状态和施工状态的涡激共振试验分别在均匀流场中进行,试验风攻角为-5°~+5°。参照《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60-01—2004),成桥状态下竖弯涡振及扭转涡振允许振幅分别为:在试验过程中,当各工况换算实桥风速达到100m/s时,均未有涡激共振现象发生。对于涡激共振现象,由于均匀流场比紊流场更加不利,因此不需要对紊流场中的涡激共振现象进行再次试验。7静风稳定性分析静风稳定性分析的成熟方法是增量与内外两重迭代相结合的方法。非线性包括几何、材料、静风非线性等3种。对于静风稳定性分析而言,关注的是几何大位移和静风荷载相互作用下的稳定性问题,静风失稳刚刚发生时,结构仍处于弹性范围内,因此,可以不必考虑材料非线性。对于六冲河特大桥而言,静风稳定性分析以零风速、结构恒载作用为起始状态,风速步长5m/s,临近静风失稳临界风速时缩短风速步长,低松弛因子取0.35。以扭转角达到+5°或-5°为静风扭转发散标志,得到静风失稳临界风速,计算结果如图6所示。计算结果表明,当风速达到120m/s时,均大于施工最双单悬臂49.1m/s与成桥检验风速49m/s,各工况仍未有静风失稳发生,结构安全可靠。8主要试验结果(1)对于山区地形的超高、大跨度桥梁,风特性参数模型应根据具体桥址地形适当调整。(2)结构动力特性与颤振稳定性指数分析表明,本桥的颤振稳定性宜通过风洞试验检验。(3)通过数值模拟计算优选主梁与索塔断面,较大地减小了风阻系数。(4)颤振试验结果表明:在-5°、-3°、0°、+3°和+5°等5个风攻角下,成桥状态颤振临界风速均超过100m/s,满足成桥状态颤振检验风速61.5m/s的要求;施工最大单悬臂状态的颤振临界风速也均满足颤振检验风速58.6m/s的要求。(5)涡振试验结果表