宜昌長江鐵路大橋雙懸臂施工階段風荷載分析

宜昌長江鐵路大橋雙懸臂施工階段風荷載分析

1壁空心墩結(jié)構(gòu)新鐵路宜萬線宜昌大橋位于我國中部和西部地區(qū)。主橋跨徑為130m2.275m130m。上部結(jié)構(gòu)采用懸臂罐法，最大雙懸臂總長272m，如圖1所示。主墩為矩形薄空心塔，主梁為雙室單元格。如圖2所示，平均橫截面為。從全國風壓分布圖來看，當?shù)氐娘L速并不很大，但由于該橋是一座獨具特色的鋼筋混凝土連續(xù)剛構(gòu)-鋼管混凝土拱組合橋梁，連續(xù)剛構(gòu)主跨跨度為國內(nèi)鐵路橋最大，對這樣一座特大跨度橋梁，特別是采用懸臂施工時，其最大懸臂長度大，在橫向風作用下將產(chǎn)生靜的橫向力、豎向力、扭轉(zhuǎn)力矩以及側(cè)向水平抖振、豎向抖振慣性力。其中橫向力將在主梁的懸臂根部產(chǎn)生較大的內(nèi)力，而由于風的不均勻性以及側(cè)向水平抖振將在柔性墩中產(chǎn)生較大的扭矩，施工驗算時必須考慮這些風荷載。作用在主梁單位長度上的靜力風荷載可表示為橫向風載：式中：ρ為空氣密度，U2風速和設計標準風速的確定2.1a等壓線內(nèi)所處的風速據(jù)“全國基本風壓分布圖”，宜昌位于400Pa等壓線內(nèi)，即標準高度Z20=20m處，平均時距t=10min，重現(xiàn)期100年的風壓值為400Pa，據(jù)此可以換算出相應高度處的風速為2.2橋面處設計基準風速宜昌橋橋位處地表粗糙度接近Ⅱ類，取風速剖面指數(shù)。根據(jù)設計資料，橋面距最低水位約54m，按指數(shù)律風速剖面可以推算出宜昌橋橋面設計風速為27.7m/s。施工節(jié)段的設計基準風速可以參照《公路橋梁抗風設計指南》的規(guī)定，一般采用10年重現(xiàn)期。其值為100年重現(xiàn)期的0.84倍，即施工階段橋面處設計基準風速為23.3m/s。作用在橋墩上的力按橋梁65%高度處的風速計算，風速為21.7m/s。沿整個高度取相同的風壓值。2.3主梁靜力加載分析對大跨度預應力混凝土薄壁柔性墩剛架橋的最大雙懸臂施工狀態(tài)，可根據(jù)最危險截面可能產(chǎn)生的最大風載內(nèi)力，用陣風風壓并同時考慮主梁截面的高度變化以及氣動力系數(shù)的變化進行加載。陣風風速系數(shù)取1.38，則橋面處陣風風速為32.2m/s。3氣動載荷的數(shù)值計算本研究數(shù)值模擬基于有限單元法，對諸如橋梁主梁、橋墩等鈍體繞流，可以生成分塊分結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，網(wǎng)格的密度可根據(jù)需要隨意調(diào)整，以更好地反映結(jié)構(gòu)的細小部位對全局流場的影響，有效地提高計算結(jié)果的準確性。雷諾數(shù)是所有相似參數(shù)里最難模擬的參數(shù)，然而一般認為，由于非流線型物體具有尖銳的棱角，當氣流流過時，流場分離點位置幾乎是固定不變的，即流場對雷諾數(shù)的變化不敏感，雷諾數(shù)差異導致的空氣動力系數(shù)差異很小。本研究的繞流體，由于截面明顯非流線化，滿足上述前提條件，得到的氣動力特性不作雷諾數(shù)修正。計算區(qū)域的外部是矩形，外邊界到繞流物體中心的距離均大于25倍流場特征長度，采用二維4節(jié)點四邊形單元，數(shù)值模擬時，前方邊界、上下邊界均給速度條件，后方指定壓力邊界條件，物體表面為無滑移不穿透邊界條件，且湍流動能和湍流耗散在物面取零值。來流風速均取橋面或橋墩相應高度處的風速，攻角范圍從-6°到+6°變化。通過對選定物體表面的壓力積分，即可得到對應物體的氣動三分力值P限于篇幅，圖3只列出了14#截面氣動力系數(shù)圖，14#截面位置見圖1。4截面周圍的壓力場圖4、圖5為數(shù)值模擬的主梁繞流圖。流場壓力等高線形象地再現(xiàn)了側(cè)向風作用下，主梁截面周圍的壓力場分布情況；從繞流流場流譜圖可見，由于主梁是明顯的鈍體外形，周圍繞流非常復雜，在主梁截面的背風面，流場因為分離而出現(xiàn)很大的漩渦，漩渦的大小與截面高度、高寬比等有關。高寬比越大，風力渦越明顯。5．在懸臂左、右梁端設置風荷載為安全地估計懸臂施工階段的結(jié)構(gòu)風荷載內(nèi)力，應考慮到各種最不利的風荷載分布進行加載，以確保施工階段的抗風安全。這些加載方式包括：(1)在懸臂左、右兩邊按相同的風壓加載，并考慮作用在橋墩上的橫向風力，記為P(2)考慮到風場的不均勻性，在懸臂左、右梁端分別按1倍、0.6倍的不均勻風壓加載，記為P(3)在懸臂一端施加100%風荷載，另一端風荷載為零，記為P表1、表2分別列出中墩最大雙懸臂狀態(tài)懸臂根部、橋墩墩底的風載內(nèi)力。6大跨度預應力混凝土流場的模擬分析本文通過宜昌長江鐵路大橋雙懸臂施工中的風荷載計算，提出采用數(shù)值模擬計算的方法確定空氣靜力系數(shù)，它無需試驗設備，特別是能模擬復雜的幾何外形繞流或湍流問題，流場可視性好，現(xiàn)已被越來越廣泛地應用到工程研究中，成為橋梁與結(jié)構(gòu)抗風