高墩大跨连续刚构桥抗风分析

高墩大跨连续刚构桥抗风分析

吴凯  朱永伟

（中铁十一局集团有限公司，湖北，武汉，430061）

摘要：在高墩大跨连续刚构桥的施工过程中，由于几何初始缺陷和外部不均匀荷载的影响，桥墩轴线易发生偏移，影响结构受力状态。本文基于实测风速数据，采用现行规范对桥梁风荷载进行简化计算，并通过ANSYS有限元模型分析了双肢薄壁墩与矩形薄壁空心墩在不同施工阶段的抗风性能。研究结果表明，风荷载对桥墩垂直度的影响显著，变形随风级和高度的增加呈指数式增长，且最大变形多发生在墩顶位置。这些发现为高墩大跨桥梁的抗风设计和施工提供了重要参考。

关键词：风荷载；高墩大跨；连续刚构桥：桥墩垂直度

0引言

随着我国桥梁建设领域不断取得突破，高墩大跨桥梁建设成果不断涌现，高海拔地区已不在成为阻碍，鉴于其独特地理位置以及严酷的自然条件，使得在桥梁建设过程中不得不考虑分析各种因素的影响效果，随着桥梁高度的不断增加，使得结构本身对风荷载的敏感性增强，风荷载成为高墩大跨桥梁的重要影响因素。风荷载与桥梁结构之间相互作用十分复杂，当风荷载作用于非流线型截面时，会出现涡流和流动分离情况，而当桥梁结构刚度较大时，则以静力作用为主要作用效果，而当桥梁结构刚度较小时,则同时具有静力与动力作用[1]。

王军等[2]通过构建梯形风荷载简化模型，并推导高墩墩顶偏位公式，详细分析了多因素耦合作用下高墩垂直度的变化，为高墩施工中的风荷载影响评估及侧移控制提供了有效技术支撑。杨玉洁等[3]主要研究了脉动风速模拟、不同风攻角下主梁截面的三分力系数分析、施工阶段风速的计算及有限元动力特性分析，结果表明此阶段的静风荷载影响显著，但不会出现风致振动现象。对于高墩大跨梁桥，如跨宽比或跨深比超过30，或墩高宽比超过10.7的桥梁，由于忽略了气动弹性力的影响，使用这些规范计算出来的风荷载通常低于实际风荷载数值。

1工程概况

某高寒区超高墩连续刚构桥，跨径布置：桥梁平面位于R=960m、LS=100、R=1400m、LS=100及R=700m的左偏平曲线上，跨径布置为88+2×160+88m；桥址区所在地段高程为2950～3112m之间，地形较陡，最大相对高差 162m。

2 ANSYS有限元模型建立

建立有限元模型是进行高墩抗风分析的基础，本文利用有限元分析软件 ANSYS 建立了该高墩的有限元模型。采用 Beam188 梁单元来建立模型，Beam188 单元是基于铁木辛柯 (Toshenko) 梁结构理论，考虑了剪切变形的影响，是三维线性或者二次梁单元[61]，该单元支持变截面，适用于细长结构，墩底处施加全部自由度的约束。

3计算结果分析

本文采用有限元模拟方法对该桥10#墩结构垂直度在风荷载作用下的响应问题进行分析。

结果显示，不同风级作用下墩身变形随高度的变化规律相似，取8级风作用在X方向桥墩产生的位移云图进行结果分析，如图4-1所示。从云图的结果可以看出，风荷载作用下的桥墩在X、Y方向上产生了不同程度的变形。桥墩在X轴方向的变形，最大变形出现在桥墩的顶部，指向X轴负向，大小为31.7mm；桥墩在Y轴方向的变形很小；总位移最大值为31.7mm，出现在桥墩的顶部。

以10m的为间隔提取桥墩高度范围内桥墩不同高度水平截面中心点处的水平位移，考察不同风级风荷载作用下墩身的弯曲变形，结果如图1所示。

图1  风荷载作用在X（横桥向）、Y（纵桥向）面引起桥墩变形随高度变化对比

从图1可以看出，不同风级作用引起的桥墩变形随高度变化情况类似。当风速超过4级后，随着高度的增加，桥墩Y（纵桥向）面和X（横桥向）面的变形均呈指数式增长，且风级越大其变形越明显。从图中还可以看出，最大变形发生在墩顶，为进一步进行分析风荷载对桥墩顶位移的影响程度，提取图1中墩顶水平位移进行分析，结果如图2所示。

图2 风荷载作用在X（横桥向）面、Y（纵桥向）面引起的墩顶位移

图2为桥墩墩顶位移随风级的变化对比。从图中可以看出，不同风级作用导致的桥墩墩顶位移结果类似，风速越大，墩顶位移值越大。从图4-4中Y（纵桥向）面墩顶位移数据可以看出：风级达到8级风时，墩顶变形达到66mm左右；风级达到10级风时，墩顶位移达到129mm左右；风级达到12级风时，墩顶位移达到195mm左右；从图4-5中数据可以看出：风级达到8级风时，X（横桥向）面墩顶变形达到40mm左右；风级达到10级风时，X方向墩顶位移达到70mm左右；风级达到12级风时，X方向墩顶位移达到100mm左右。风级作用对墩顶位移的影响：随着风级的增大，墩顶位移变化越剧烈。

4结论

1.风荷载对桥墩垂直度的影响明显且随高度增加而增强：在不同风级作用下，桥墩的变形随高度呈指数式增长，且风速越大，变形越显著。最大变形一般发生在墩顶位置，尤其是在较高风级下，墩顶位移显著增加。

2. 风向和风级对桥墩变形的影响具有方向性：风荷载在X（横桥向）和Y（纵桥向）面上的作用效果不同。X方向变形明显大于Y方向，说明横桥向风荷载对墩身的影响较大，尤其在较高风级下，墩顶的水平位移显著增加。

3. 风速对墩顶位移的影响程度与风级呈正相关：在风级达到8级、10级和12级风时，墩顶位移分别达到66mm、129mm和195mm。随着风级的增大，墩顶位移变化更为剧烈，这表明高墩桥梁的抗风设计需要特别关注高风速条件下的结构安全性。

这些结论表明，在设计和施工阶段必须充分考虑风荷载的影响，尤其是在高墩大跨连续刚构桥的建设中。

参考文献

[1]李国豪.桥梁结构稳定与振动[M].北京:中国铁道出版社,2002.

[2]王军,漆久亮,张刚领,等.多因素作用下风荷载简化对高墩垂直度影响分析[J].重庆交通大学学报(自然科学版),2020,39(05):58-64.

[3]杨玉浩.高墩大跨连续刚构桥的抗风分析与研究[D].重庆交通大学,2017.