超高墩连续刚构桥设计中的关键技术

30 桥梁建设 2006年第 4期 文章编号：1003—4722(2006)04～0030—04 超高墩连续刚构桥 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中的关键技术 彭元诚，方秦汉，李 黎 (华中科技大学土木与力学学院，湖北 武汉 430072) 摘 要 ：结合沪蓉国道主干线湖北省宜昌至恩施公路 龙潭河特大桥的 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 研 究，介绍了山区 超高墩连续刚构桥设计中的一些思路，对高墩连续刚构型式、薄壁局部稳定提 出了自己的看法，可 望为今后山区高墩桥梁设计提供一些借鉴 。 关键词：连续刚构；超高墩；薄壁墩；局部稳定 中图分类号：U448．23 文献标识码 ：A Key Techniques for Design of Continuous Rigid--Frame Bridges with Very High--Rise Piers PENG Yuan—cheng。FANG Qin—han。LJ Lf (School of Civil Engineering and Mechanics，H uazhong University of Science and Technology，W uhan 430072，China) Abstract：W ith reference to the alternative study of Longtan River Bridge on Yichang—Enshi Highway in Hubei Province，the Trunk Route of the National Road from Shanghai to Chengdu， this paper describes some of the authors considerations for design of the continuous rigid—frame bridges with very high—rise piers in mountainous region，and viewpoints of structural type selec— tion of the rigid—frame bridges and local stability of the thin walls of the piers．The descriptions in the paper are expected to serve as reference to the design of other bridges with high—rise piers in the mountainous region in the future． Key words：continuous rigid—frame structure；very high—rise pier；thin—wall pier；local stabil— itv 1 概 述 沪蓉国道主干线是我国规划的公路主骨架网 “五纵七横”中的“一横”，湖北省宜昌至恩施公路，简 称“湖北沪蓉西”，是其重要组成部分，其中榔坪至高 坪段地处鄂西南褶皱山区腹地，地形特征为山峦连 绵、峰丛林立、谷深坡陡，地形切割强烈，剥夷面层状 地貌发育，高差急剧变化，相对高差多在 400～700 m之间，最大达 1 000 m，是迄今我国山区高速公路 建设项目中地形地貌最为复杂险峻的路段，在不算 长的 48．8 km中，桥梁占路线总长的 37．6 ，其中 百米以上墩高的大跨度连续刚构桥 4座，工程规模 宏大，其中龙潭河特大桥[1]墩高 178 m、双河口特大 桥lJ]墩高 166 m，大幅超越当今世界连续刚构桥的 墩高记录。超高墩的设计及在超高桥墩上悬臂施工 的安全性是该段连续刚构桥设计的关键问题。 百米以上高墩连续刚构桥的设计，除进行传统 的应力与强度控制外，更关键的因素有：高墩稳定、 风载效应、横桥向脉动风引起的抖振、及由横桥向抖 振而导致的行车舒适性、服务能力的劣化。本文以 龙潭河特大桥为依托，试图对相关的关键技术研究 收稿 日期 ：2005—12—3O 作者简介：彭元诚(1964一)，男，教授级高工，一级注册结构工程师，1986年毕业于上海交通大学机械工程专业，工学学士，1989年毕业于上 海交通大学工程力学专业，工学硕士，现为华中科技大学土木学院结构工程专业博士研究生。 维普资讯 http://www.cqvip.com 超高墩连续刚构桥设计中的关键技术 彭元诚，方秦汉，李 黎 31 作一简要介绍。 2 高墩稳定与设计 高墩连续刚构桥一般地处大型峡谷，由于峡谷 风效应，瞬时风速及紊流强度较大，高墩既要满足稳 定性要求，又必须抵抗强大的、对设计起控制作用的 风荷载，因此采用如下高墩设计思路： (1)应具有适当的纵向抗推刚度，以适应纵桥 向由于温度、混凝土收缩徐变等引起的变形； (2)为抵抗横桥向风荷载，减小偏载引起的侧 向位移，提高行车舒适性，墩柱横桥向刚度应设计得 较大 ； (3)无论是在悬臂施工阶段 还是运 营阶段 ，横 桥向风荷载均起控制作用，应尽可能减小墩柱横向 迎风面积、改善气动外形、减小风载体形系数； (4)高墩一般采用滑模或爬模施工，从施工的 便捷出发，宜采用简洁的形状； (5)山区高墩连续刚构桥体量巨大，景观效果 突出，墩形选择应与环境相协调。 2．1 墩柱形式的比选一单肢柱与双肢柱 高墩连续刚构桥墩一般采用整体式和分离式， 如图 1，由于墩较高，多为薄壁箱形截面。单肢箱形 截面具有强大的抗弯、抗扭刚度，但箱形截面具有较 大的纵向抗推刚度，适应结构体系纵向变形的能力 较差 ，为了在悬浇阶段提供足够安全 的抵抗纵 向不 平衡弯矩的作用，需要较大的纵向尺寸，而此时较大 的抗推刚度导致体系在收缩、徐变、温度变化等作用 下产生较大 的内力，对墩柱、基础均产生较大的 影响。 — — — — — 一 1 000～ 1 356 横向f — — — 一 回斓 ． ． 900． 350～528 350～ 横向f ( )单肢柱 (b)双肢柱 单位：。 图 1 连续刚构墩柱一般形式 双肢柱可以很好地适应纵向变形，一般用于墩 高 50 m以内的悬臂施工连续刚构桥，是非常经典 的墩柱形式，我国 270 m虎门辅航道桥、澳大利亚 260 m Gateway桥均采用这种形式，双肢柱相对单 箱单肢柱具有如下优点： (1)在纵向抗推刚度相当，适应体系温度、混凝 土收缩徐变能力相当的前提下，可提供远大于单肢 单箱墩柱的总体抗弯刚度，为悬浇阶段提供足够安 全的抵抗不平衡荷载的能力； (2)纵向抗推刚度容易调整，可以通过调整单 肢截面、系梁间距、系梁截面刚度等手段，较 自由地 调整纵向抗推刚度，减小由于温度、混凝土收缩徐变 等产生的结构次内力； (3)对一联多跨的适应性较好，可在保持柱顶 几何尺寸不变的前提下调整不同高度墩柱的刚度， 适应全联体系的受力要求，保证箱梁 0号及各悬臂 施工节段划分不变，简化设计与施工，保持结构的整 体景观协调； (4)双肢柱对横风的迎风面积较小、风载体形 系数小，对抵抗山区峡谷横风有利； (5)在墩柱工程量相当的前提下，双肢柱纵向 间距较大，减小了上构箱梁的净跨径，减小了箱梁的 受力，上构相对经济，表 1给出了两者在墩顶刚度、 工程量等方面的比较。 龙潭河特大桥最后采用双肢薄壁箱形墩柱，见 图 1(b)。 表 1 龙潭河特大桥 178 Illl高墩单肢与双肢的比较 注：口J以看出，双胶柱具有 2倍以上抵抗悬浇不平衡弯矩的能力。 2．2 双肢柱施工期间刚度的调整 事实上，由于悬臂施工阶段与成桥阶段结构体 系的巨大不同，设计师对墩柱的纵向受力性能的要 求也是显著不同的。从施工安全、几何控制、合龙段 浇注等方面看，悬臂阶段希望墩柱的纵向刚度越大 越好，而从成桥看，纵向刚度太大则会产生较大的约 束内力，对下构基础不利。 双肢薄壁箱形墩柱可通过增设系梁、或调整系 梁的刚度、间距来适应成桥后连续刚构体系的需要， 而在悬臂施工阶段 ，则可搭设柱间临时连接 ，临时增 大纵向刚度以满足施工的需要。表2对设系梁或采 用不同的系梁刚度进行 了比较。 2．3 薄壁墩的壁厚与局部稳定 与实体墩相比，薄壁空心墩能以较少的材料数 量获得较大的截面抵抗惯性矩 ，充分发挥材料的力 学性能，满足刚度要求。薄壁高墩既存在整体稳定 维普资讯 http://www.cqvip.com 32 桥梁建设 2006年第 4期 问题，又存在壁板局部稳定问题。壁板局部稳定，可 以通过限制边长与壁厚的比值，使局部屈曲临界应 力高于材料极限强度来得到保证。 表 2 龙潭河特大桥 178 m高墩 系梁对墩柱 稳定与纵 向抗推 刚度 的影 响 箱形薄壁截面、工字形腹板局部稳定可根据四 边简支板的屈曲 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 导出： 一 ÷ (舌) r— 【 ) ，c 对工字形、T形等截面的自由悬臂翼缘，局部稳 定可根据三边简支板的屈曲分析导出： 一 ÷ 12 1 ( b) ≥厂 (一u )I J；／ _厂c取混凝土的轴心抗压 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 强度^ 的0．5倍， 泊松比u取0．2，弹性模量折减系数刀取0．8，由于构件 缺陷，实际稳定临界应力远低于理论值且离散性较 大 ，稳定安全系数 根据实验统计确定，粗略取 4，于 是有箱形薄壁截面、工字形腹板局部稳定宽厚比： b／t≤ 1．171，、僵乃 工字形、T形等截面的自由悬臂翼缘局部稳定 宽厚比： b／t≤ 0．382~／E／厂 k 将 C30～C60混凝土的有关参数代入上式，可 得薄壁墩局部稳定最大容许宽厚比计算值，见表 3。 表 3 薄壁墩局部稳定最大容许宽厚比 混凝土 一 标号 10 MPa MPa 6／t 箱形薄壁截面 工字形、T形等 及工字形腹板 截面悬臂翼缘 由表 3可以得出，箱形薄壁截面、工字形腹板容 许宽厚比(边长与厚度之比)约为 35，工字形、T形 等截面自由悬臂翼缘容许宽厚比约为 11，在容许宽 厚比以内，薄壁局部稳定不控制设计 ，墩柱设计 由强 度、位移、整体稳定等其他因素控制。 龙潭河特大桥 178 m超高墩箱形薄壁截面最 大宽厚比为 13．9／0．7—19．9，薄壁局部稳定不控制 设计，这个结论在采用 ANSYS一壳体元的空间分 析中亦得到验证 。 3 风振与行车舒适性 3．1 风致动力响应 动力特性分析表明，高墩连续刚构为长周期的 柔性动力体系，风致动力响应显著。龙潭河特大桥 前 5阶动力特性见表 4。 表 4 龙潭河特大桥最大悬臂与成桥 状态 自振周期和振型特征 结构风致效应由静风效应和脉动风抖振效应组 成，静风效应按结构模型实测静力系数按静力学方 式计算，脉动风用具有零均值且具有各态历经性的 高斯平稳随机过程模拟，利用 Davenport功率谱密 度函数 ： _r 2 s ( )一4幻 。 7 一 1 200 n／vl0 根据 Davenport功率谱，采用 Monte—Carlo法 模拟脉动风速时程曲线，由风速时程转换成风压时 程 ，进行动力时程分析。图 2、图 3为跨 中加速度时 程和加速度单边幅值谱。 8 6 4 ∞ 2 餐。 最 一 2 _4 6 O 7 8 7 3 4 6 4 3 2 l i l 4 8 1 l 2 7 2 8 5 O 8 5 4 4 3 3 l 8 4 5 O 6 2 8 2 2 3 3 O 5 5 O O 2 4 6 3 3 3 3 O O 0 O 3 4 5 6 C C C C 维普资讯 http://www.cqvip.com 超高墩连续刚构桥设计中的关键技术 彭元诚，方秦汉 ，李 黎 33 1·0 0·8 0。6 矍 0·2 0 0．2 0．4 0．6 频率／Hz 图3 龙潭河特大桥 A一点的风振加速度单边幅值谱 系，因此评价极为困难，常常只能作出一些半定量的 评价。 (1)ISO评价方法。ISO针对全身暴露于振动中 人的舒适度制定了一系列的评价标准，中国又根据 ISO的 规范 编程规范下载gsp规范下载钢格栅规范下载警徽规范下载建设厅规范下载 制定了自己的评价规范 GB／T 13921— 92：“关于固定结构特别是建筑物和海上结构的居住 者对低频(0．063~1 Hz)水平运动响应的评价导则”。 评价指标是均方根加速度，见图 4，超过位置较高的 感觉阀值曲线，则认为人对振动已经不能满意。 10 10 蠢10 謦10 10一s 露 频率／Hz ⋯ 一 水平运动满意量值 — — 人对水平运动的感觉闽限 — — 风振加速度频谱 图 4 水平运动 满意量值 (2)建筑规范采用的横向振动评价方法。《高 层民用建筑钢结构技术规程》的规定，结构在风荷载 作用下的顺风向和横风向顶点最大加速度，应满足 下列要求 ： 公寓建筑 a ( )≤ 0．20 m／s 公共建筑 a (口 )≤ 0．28 m／s 此规定的加速度限值相当于是舒适度的最低标 准。这是我国建筑规范中惟一对舒适度的规定，因 此国内许多建筑舒适度的评价均应用此标准。 (3)其他评价指标。其他尚有 Dieckmann指标 (铁道车辆)、Sperling指标(铁道车辆)、F．K．Chang 建议的横向振动评价标准(高层建筑)、Jacklin横向 指标(铁道车辆)、梅世特舒适度曲线等。 3．2．2 龙潭河特大桥舒适性评价 根据 ISO规范，均方根加速度是在各子频带的 频率带宽内加速度的平均，其值必小于该频带内的 加速度峰值。从龙潭河特大桥频谱图上看，即使是 频谱的峰值，也远低于限定的舒适度标准，评价的舒 适度的结论是“人几乎不能感觉到此风振”。 从图 2可看出，龙潭河特大桥风振最大加速度 为 0．069 9 m／s ，小于公共建筑的标准加速度值 0．28 m／s ，因此使用《高层民用建筑钢结构技术规 程》评价的舒适度的结论亦是合格的。 3．2．3 有关结论的评述 (1)有关舒适度评价标准大多针对的是纯粹车 辆的振动，有些是针对建筑物的振动，并没有专门针 对桥梁振动的评价标准。虽然振动的量值和频率是 相同的且是可比较的，但是不同的环境中人的反应 肯定存在差别，尚有待研究。而且建筑振动不同于 桥梁振动，其评价标 准所考虑人的暴露时间往往较 长(>10 min)，因此这种评价只能用作参考。 (2)本桥是高速公路桥，司乘人员的振动除受 桥梁的振动影响外，车辆本身的振动既影响人的振 动，又对人的感觉产生一定的钝化影响，本文评价方 法使用了一个假设：桥梁的风振能够基本不失真的 由车辆传递到人体上，由于风振的卓越频率极低，对 汽车而言相当于是随桥梁在作刚体运动，因此这个 假设是有一定可靠性的，同时评价结论基于建筑物 较长暴露时间、未计车辆振动的钝化影响的标准，是 偏于安全保守的。 (3)桥梁风振计算使用的风速是 50年重现期 的 10 min年平均最大风速，如果在此等极端风速下 桥梁舒适度无问题，则在多遇的大风中，舒适度必定 不存在问题。 4 结 语 超高墩连续刚构桥高墩的选型、设计是该类桥 梁设计的关键，采用双肢墩柱，可以有较大的设计裕 度。对薄壁式墩，可以根据不同的约束条件，通过限 制宽厚比而使局部稳定问题不控制结构设计。动力 研究表明，桥梁的横向风致振动，不管是悬臂施工阶 段还是成桥运营阶段，都是控制设计的关键因素，而 其行车舒适性，即便对于墩高达 178 m的龙潭河特 大桥，亦是可以满足的。 参 考 文 献： [1] 中交二公院．沪蓉国道主干线湖北宜昌至恩施公路榔 坪至高坪段初步设计及施工图设计文件LzJ．2004． 维普资讯 http://www.cqvip.com