桥梁抗风设计（精选5篇）
桥梁抗风设计 篇1
摘要：桥梁应具有抵抗风作用的能力, 特别是大跨度桥梁, 其柔性较大, 设计时必须考虑颤振、抖振、涡激振动等空气动力问题, 通过抗风设计、风洞试验、抗风措施来确定桥梁风荷载和抗风性能是大跨度柔性桥梁抗风研究的主要手段。
关键词：桥梁,风荷载,颤振,节段模型,风洞试验
1 桥梁抗风设计的目的
桥梁抗风设计的目的在于保证结构在施工和运营阶段能够:
(1) 对于可能出现的最大静风荷载, 桥梁不会发生强度破坏、变形和静力失稳。
(2) 为了确保桥梁的抗风安全性, 桥梁发生自激发散振动 (如颤振) 的临界风速必须高于桥梁的设计风速, 并具备一定的安全储备, 即:临界风速>安全系数×设计风速。对于颤振验算, 通常安全系数取为1.2。
(3) 对于限幅振动, 尽管其振幅有限, 但因其发生的频率高, 可能会引起结构的疲劳损伤或影响结构正常使用, 使行人感到不适以及影响施工的顺利进行等, 所以也应将桥梁可能发生的限幅振动的振幅减小到可以接受的程度, 即:最大响应≤容许值。
2 桥梁抗风设计
桥梁抗风设计大体可分为结构设计和结构抗风性能检验两个阶段。
2.1 结构设计阶段
这一阶段的工作内容包括对桥位处风速资料的收集、风观测、风的特性参数选取等。根据全国基本风压分布图, 并考虑桥址处的地形地貌情况、桥梁高度和桥跨长度、自然风的特征等因素, 确定桥梁的设计风速、设计风荷载和自激振动检验风速。设计内容是提出抗风设计对结构设计的多项要求, 作为确定桥梁结构体系, 各构件的材料、形状、尺寸等的参考。其中最重要的是结构体系的抗风性能设计和结构断面形状的气动选型。
2.2 结构抗风性能检验阶段
该阶段包括静力抗风性能和动力抗风检验两部分。静力抗风检验包括根据规范或通过风洞试验确定结构断面的静力气动力系数, 计算出作用在桥梁各个部分的静风荷载, 进而计算出在静风荷载作用下的结构内力、变形, 检验结构的静力稳定性。动力抗风检验包括桥梁在施工及运营状态时的颤振特性、涡激共振特性、抖振特性检验。采用风洞试验或半试验半理论的方法给出桥梁的颤振临界风速形态、涡激共振的发生风速和振幅估计、抖振振幅及其产生的惯性力。
对于颤振临界风速的确定, 下面列出Van Der Put的近似公式, 以考证临界风速的影响因素。在桥梁初步设计阶段, 通常可采用下式估算临界风速U:
式中:η—主梁截面几何形状折减系数, 对于目前用于悬索桥或斜拉桥的流线型扁平箱梁, 该值约为0.7～0.9;对于截面较钝的混凝土箱梁, 该值可低达0.3～0.5;
ε—桥梁的扭转频率与竖弯频率之比;
r—主梁截面的惯性半径;
μ—主梁单位长度质量与空气的质量比;
ωb—竖弯频率;
b—半桥宽。
从上式大致可以看出, 主梁截面越扁平, 流线型越好, 临界风速越高;桥梁的刚度越大, 固有频率越高;主梁越重, 临界风速越高。因此同样截面的混凝土主梁比钢主梁对抗风更为有利。
3 桥梁动力抗风设计的基本方针
对于大跨度柔性桥梁, 如悬索桥和斜拉桥的抗风设计则应特别注意动力抗风设计。桥梁动力抗风设计的基本方针是:
(1) 提高结构的临界风速, 使之大于设计风速, 即不会发生危险性的发散型风致振动;
(2) 减少各种限幅风致振动 (涡激共振, 抖振等) 的振幅, 使之控制在可以接受的范围内。
为了使桥梁在使用期间内, 在预计的强风作用下不损害桥梁的安全性和使用性, 首先应掌握架桥地点的强风特性, 决定桥梁的设计风速, 并据此推测风对桥梁的作用, 校核抗风安全性。如果判断有可能会发生上述有害的振动, 就应考虑适当的防止对策或进行设计变更。
4 风洞试验
在确定风引起的桥梁响应时, 通常可采用已有的理论分析和风洞模型试验等方法。但由于桥梁断面形状复杂多样, 用纯理论分析方法求解作用在桥梁上的空气力及风致振动响应相当困难。因此, 采用风洞模型试验仍是目前抗风设计最有效和最可靠的手段。
风洞试验是空气动力学研究的一个十分重要且不可替代的手段。它是在风洞实验室模拟大气边界层的实际风环境和实际建筑结构, 根据实验室中的模型响应考察实际结构响应。对于复杂环境下, 有复杂外形的桥梁结构风效应研究, 用其它手段很难进行时, 风洞试验只需对实际条件作适当的简化, 就可以达到研究目的。风洞试验是目前采用最普遍、最有效的研究手段。通过精心设计的各种风洞试验, 可以预测实桥的空气静力稳定性、动力稳定性以及是否有影响正常使用的风致振动现象等。
所谓风洞 (wind tunnel) , 通常指一个可产生气流的闭合环形管道。风洞的种类很多, 一般可依照不同的用途, 由其供试验用区域 (称作试验段, 试验模型置于此段) 的截面积和风速大小加以划分。用于进行桥梁空气动力学研究的风洞, 在早期都是利用低速航空的风洞, 目前已逐步采用专门用于结构风工程研究的大气边界层风洞。大气边界层风洞具有较长的、并可以模拟大气边界层内自然风特性的试验段。试验段的截面积从几平方米至几十平方米不等, 试验风速可以从很低的风速 (一般为1～2m/s) 到每秒数十米。
5 桥梁风洞模型试验方法
根据试验的目的, 桥梁风洞模型试验分为主梁节段模型静力试验、动力试验和全桥模型试验等。
(1) 节段模型静力试验是将主梁 (成桥状态时还包括栏杆) 按一定的几何比例做成模型, 然后支撑在风洞中进行试验, 以测定静力三分力系数 (CD、CL和CΜ) 等。
(2) 动力试验是用弹簧 (模拟桥梁其余部分对主梁节段的弹性约束作用) 将节段模型悬挂在风洞中进行试验, 弹簧常数由相似条件决定。这种试验可以直接给出桥梁颤振临界风速的二维近似试验结果。因试验模型制作容易、费用少、时间省, 这种试验得到广泛应用。
(3) 全桥模型则是将各部分构件的几何外形、质量和刚度按相似关系做成全桥模型, 以使模型的固有振动特性与实桥相似, 试验的目的是全面测定桥梁的临界风速、涡激振动和紊流引起的抖振的振幅。这种试验具有制作复杂、周期较长、费用昂贵, 但真实可靠等特点。
6 桥梁结构及构件的抗风措施
桥梁结构及构件的抗风措施大体上可分为两大类:一是改善结构的振动特性为目的的结构措施;二是以改善结构物的空气动力特性为目的的气动措施。
(1) 在大跨度斜拉桥或悬索桥的施工阶段中, 结构体系处于不断转换区尚未成型, 可能会出现比成桥后更为不利的状态, 即刚度较小, 变形较大, 稳定性较差, 甚至发生较大的风致振动响应的情况, 其中稳定性问题也十分突出。一般说来, 大跨斜拉桥在最大双悬臂状态和最大单悬臂状态的颤振稳定性比成桥状态要好。在最大双悬臂状态, 主要会发生围绕桥塔的桥平面外的水平摆动以及平面内的竖向"翘翘板"振动, 在桥塔中产生较大的内力, 设置辅助墩或采用临时墩来减小悬臂长度是常用的方法;在最大单悬臂状态, 强风作用下主梁的侧向和竖向抖振产生的惯性力较大, 若振动不能接受, 可以通过设置阻尼器以及临时风缆等方法来抑制振动。
(2) 悬索桥在安装初期的结构抗扭刚度主要由主缆提供, 其扭转频率随主梁拼装长度的增加而增加。大跨度悬索桥主梁拼装的抗风低谷应避开大风期。若不能避开, 可采用不对称施工方法, 即不从中央对称拼装, 而是偏高中央一定距离开始拼装主梁, 待达到一定长度后再进行对称施工。
(3) 对于刚度相对较小的悬索桥, 必须认真地考虑各种改善气动性能的导流措施以便同时解决颤振、涡振、斜振等各类风致振动问题。1500m以上跨度的悬索桥可能还要考虑采用中央开槽的分离箱断面以及增加交叉索形成空间索网等措施以提高结构的刚度和气动性能, 满足抗风要求。
7 结语
抗风稳定性是控制大跨度桥梁成败的关键因素之一, 在大跨度桥梁设计中, 不仅要考虑承受风荷载的静力强度问题, 还必须考虑空气动力稳定性问题。虽然通过抗风设计、风洞试验、抗风措施为桥梁抗风提供了强有力保障, 但还需要进一步充实、完善、改进和提高。
桥梁抗风设计 篇2
1 桥梁抗震与抗风设计现状
1.1 抗震设计概念与现状
抗震设计概念是根据地震灾害和工程经验为主的设计原则和设计思路, 正确合理的运用新的桥梁结构设计理念, 使材料的使用和桥梁细部结构的构造更加合理, 从而达到抗震设计要求。合理的抗震设计要求是以设计的结构强度、刚度和延性指标为标准的组合方式, 使桥梁结构能够更加具有经济性, 也是实现抗震抗风设计的主要目标。在桥梁设计中, 最为重要的设计环节是在桥梁抗震设计阶段正确选择抗震设计方法、合理分配结构刚度、质量和阻尼的动态参数正确选用, 以最大限度地利用部件和材料变形能力为主要手段来提高桥梁的抗震设计要求。
目前, 大量的国内外研究实验和抗震设计理论主要是针对中小型为主的跨度桥梁进行的。这样的桥梁设计一般更具有刚性结构和地震反应力的抵抗能力。在桥梁设计工作中, 对地震的抵抗能力和对策主要分为两种:第一是延展性, 使用选定的部分和塑性变形的较为严重的部位进行能量消耗和周期设定, 从而在设计工作的完善结构, 降低地震引起的受损程度, 进而减少地震反应。第二、减隔震, 通过降低地震响应的装置和方法来达到降低和减少地震反应力的目的, 这种方法是目前最为常见的地震抗震设计措施。
1.2 抗风设计概念与现状
风灾是发生最频繁的自然灾害之一, 也是一个常见的影响桥梁安全性的因素, 风对桥梁造成的破坏与病害是多方面的。桥面的振动可能会导致交通中断和行人在行走时失去安全感, 同时也容易引起过早疲劳而破坏桥组件, 甚至导致严重的桥梁崩溃的悲剧。然而, 在早期的桥梁设计工作中, 工作人员未曾重视风振动的严重性, 造成桥梁设计中存在着较多的安全隐患问题。
随着桥梁跨度的不断增大, 对于造成桥梁侧向变形的因素越来越受到人们的重视。在颤振分析中, 人们开始考虑启动导数带来的横向位移问题, 同时也对颤振分析进行了全面的改善与处理, 对抗风设计业从过去的独立化分析与设计转向为一体化的处理和设计模式。因此, 考虑到自激力给桥梁带来影响的同时, 对于湍流风纹造成的耦合影响进行全面分析, 并提出了相应的设计理论。
2 桥梁抗震现状与设计思路
2.1 桥梁结构地震破坏的主要形式
根据桥梁过去的地震破坏情况, 除了如液化、断层等因地基失效而引起的破坏以外, 混凝土桥梁最常见的破坏形式有以下情况:
2.1.1 弯曲破坏。
结构在水平地震荷载作用下由于过大的变形导致混凝土保护层脱落、钢筋压屈和内部混凝土压碎、崩裂, 结构失去承载能力。
2.1.2 剪切破坏 (弯剪破坏) 。在水平地震倚戟作用下, 当结构受到的剪切力超过截而剪切强度时发生剪切破坏。
2.1.3 落梁破坏。当梁体的水平位移超过梁端支撑长度时发生落梁
破坏。落梁破坏是由于梁与桥墩 (台) 的相对位移过大, 支座丧失约束能力后引起的一种破坏形式。
2.2 桥梁抗震设计原则
合理的抗震设计要求设计的结构、强度、刚度和延性指标能够最佳组合, 进而实现设计结构的经济性和抗震抗风设计目标。为了满足这一要求, 我们需要设计工程师具有丰富的经验和创意, 而不仅仅是熟悉相关规范。
2.2.1 场地选择。
除了选择一个比较安全的场地之外还要在地震为先的基础上考虑地区内的场地选择要求。尽可能避免地震的过程中发生地基损坏和时效的软场地, 因此在工作中一般要选择坚硬场地。基岩, 碎石类基础, 硬质粘土地基或不稳定的斜坡等地基形式都是一种存在着危险性的区域, 在这一地区的桥梁设计和施工中, 应当考虑其加固和处理方法。
2.2.2 体系的整体性和规则性。
桥梁的整体性要好, 上部结构应尽可能是连续的。较好的整体性可防止结构构件及非结构构件在地震时被震散掉落, 同时它也是结构发挥空间作用的基本条件。无论是在平面还是在立面上, 结构的布置都要力求使几何尺寸、质量和刚度均匀、对称、规整, 避免突然变化。
2.3 设计方法
弹性理论仅当截面应力在弹性范围内时成立, 如果结构的地震响应超过了弹性应力, 按弹性理论设计的桥梁的抗震安全性得不到保证, 因此, 设计阶段通过结构在弹塑性范围内变形能力的验算, 避免结构在强震时发生致命性破坏。
3 抗风设计
3.1 风致振动破坏形式
桥梁结构风因素造成的振动破坏可以按结构振动形式分为五类, 即颤振、驰振、抖振、涡振和拉索风振。桥梁结构要求具有安全性、实用性、耐久性和稳定性, 而在这四种不同功能要求的桥梁风振可靠性分析中, 并不需要在每一种可靠性分析中考虑全部风振形式, 对于主梁有影响的主要是颤振, 而对拉索则是驰振;与安全可靠性相关的风振形式对于主梁主要是抖振, 而对桥塔则是涡振;与疲劳可靠性相关的风振形式, 对于主梁仍然是抖振, 而对桥塔则为涡振;与主梁舒适可靠性相关的风振形式主要是抖振。
3.2 桥梁结构抗风设计原则
桥梁设计的基本目的是要保证结构的安全、可靠, 保证结构应具有的强度、刚度、稳定性要求及其与之相关的诸如舒适性等要求, 抗风设计也不例外, 桥梁抗风设计应遵守如下原则:a.在桥梁设计的使用年限内, 在桥位所在区域可能出现的最大风速下, 结构不应发生毁坏性的自激发散振动。b.在设计风荷载并与其他作用的组合下, 结构应具有规定的强度和刚度, 并不应发生静力失稳。
3.3 抗风设计措施
a.提高结构的刚度可以加大固有频率, 从而达到提高临界风速和减小振幅的目的。然而对于柔性的大跨度桥梁结构, 增加主梁的刚度来满足抗风要求。b.增加结构的质量可以减少一些风致振动的振幅, 但同时也使固有频率降低, 带来不利的因素。
结束语
从概念设计角度对现有桥梁设计理念和设计方法进行分析评价, 并将桥梁抗震和抗风的设计理念及设计方法进行对比, 力图找出异同点并相互借鉴, 这要求研究者具有深厚的理论基础和丰富的设计经验。
摘要：近年来我国桥梁事业发展迅速, 在桥梁设计方面取得了一定成绩。桥梁产品与建筑工程有着相同的性质, 是主要的建筑产品形式之一。近年来, 桥梁抗震与抗风设计也逐渐成为广大人民群众关注的热点问题。特别是在发达国家, 更是将桥梁设计工作摆在工程的首要位置。我国在近年来的桥梁建设工作中不断加大桥梁设计力度, 提高桥梁施工质量。本文对桥梁抗震与抗风设计理念进行阐述, 并提出了相应的设计方法。
浅析现代桥梁的抗风理论及其应用 篇3
桥梁对抗风性能的要求较高, 因此, 保证桥梁的安全性和实用价值必须从提升桥梁的抗风理论入手, 实施模型构建的方法对现代桥梁的抗风理论进行研究是一种科学的方法, 能够很大程度上提升现代桥梁的理论研究水平。
1 现代桥梁的风环境
1.1 强风均匀速度剖面
设计人员在进行桥梁的抗风理论研究过程中, 必须对现代桥梁的设计方案具备全面的认识, 尤其要关注现代桥梁距离地面较近的位置的风速情况, 避免过高的风速影响现代桥梁的安全等级。现代桥梁的抗风设计需要根据桥梁不同高度和结构进行等级划分, 强风结构的设计是现代桥梁抗风系统的重点, 要首先明确桥梁不同抗风区域的具体高度, 并且对桥梁的强风状态进行控制, 以便桥梁能够根据风速的具体情况实施桥梁的结构测算[1]。可以使用大气风廓线仪作为主要的测量用具, 并且根据大风的具体等级进行强风状态的控制, 要保证使用大气风廓线仪的过程中器械处于垂直状态, 并且使用雷达装置进行搭配使用, 保证进行强风测算的过程具备较高的简洁性特点, 并且能够对桥梁的抗风需求进行满足。
1.2 风速和风向的极值统计
在进行现代桥梁的抗风设计中, 需要根据桥梁周边区域的风速和风向进行设计, 因此, 要对桥梁所在区域的具体风速和风向进行控制, 要调取桥梁所在地区的历史风速资料, 对桥梁区域的最大风速进行明确, 以便桥梁的抗风设计方案能够有效保证桥梁承受最大风力。要根据桥梁的风速情况进行风速测算模型的建立, 在进行抗风设计的过程中, 使用风速模型对桥梁的抗风受力情况进行模拟, 以便设计人员能够精准的通过桥梁的抗风设计实现桥梁抗风性能的提高[2]。要根据对历史资料的分析对桥梁最大风速情况进行测算, 根据当地最大风速的等级, 对模型的构建流程进行控制, 要保证模型的使用过程中能够受到来自不同方位的同等级风速的影响, 以便模型的测算能够同桥梁的实际建设需求保持一致, 要使用均匀的测算方法对桥梁的模型进行设计, 在进行规模较大的桥梁设计中, 必须保证模型能够适应桥梁的跨度需求, 如果桥梁需要在空间内进行较大范围的更改, 则需要按照桥梁的变化尺度对桥梁的设计模型进行更改。
1.3 近地区域的风洞模拟
近地位置由于风力流速过大, 造成对桥梁的抗风要求过高, 因此, 在进行现代桥梁设计的过程中, 需要根据近地风洞的使用情况, 对风洞进行可靠的模拟, 以便风洞在运行过程中能够保证具备足够的可靠性。在进行模拟工作的过程中, 需要保证模拟的构件具备足够的可造作性, 根据风洞位置的湍流边界对风洞的抗风性能进行判断, 并采取与之相对应的风洞设计措施。
2 现代桥梁的抗风设计
2.1 对现代桥梁进行动力稳定性的验算
目前, 我国现代桥梁建设的总数已接近百万, 大型现代桥梁接近三千座, 因此, 对现代桥梁的稳定性进行验算, 是确保现代桥梁抗风等级的关键性举措, 要组建专门机构负责现代桥梁的稳定性检验, 按照桥梁的具体跨度和国家对现代桥梁稳定性的统一要求, 对桥梁的建设质量进行保证, 在验算的过程中, 要对现代桥梁所处区域的外部环境进行稳定性验算流程的确定, 以便桥梁的动力稳定性能够得到保证。
2.2 对现代桥梁的静风等效风荷载进行计算
静风等效荷载的计算方法是目前很多现代桥梁设计团队重点关注的计算方法, 首先, 要根据风的具体特性对荷载的运行方法进行明确, 并从现代桥梁的整体结构设计中掌握桥梁的具体设计方法, 按照桥梁承重的具体需要, 对桥梁的整体风荷载情况进行判断, 并结合桥梁的结构需要, 对等效风与静风的具体关联进行明确, 使不同形式的科研成果能够同时使用于现代桥梁的设计当中。可以根据现代桥梁的阵风荷载情况对阵风的具体效益系数进行判定, 以便等效风的荷载情况能够通过模型的方式进行普及。可以根据现代桥梁的空间结构状况, 对桥梁的静风等效具体状况进行研究, 并将大跨度桥梁的静风替代方案进行多种替代方法的设计, 可以按照相同时间段内的风速情况对等效风的具体替代方法进行明确, 以便可以使用平均数计算的方式对现代桥梁的设计理念实施管理, 可以根据不同类型的风对桥梁的影响情况, 进行等效风的判断, 在多种等效风测算方案制定完成之后, 要采用线性连接的方式对静风的替换方案进行设计, 使静风等效荷载的方法能够得到正确的使用。
3 结论
现代桥梁的设计是我国现代基础设施建设的重要组成部分, 提升现代桥梁的抗风等级, 是提高现代桥梁安全性与使用质量的关键性举措, 对现代桥梁所处的风环境进行科学的研究, 并制定现代桥梁具体的抗风设计方法, 对提升现代桥梁的使用质量至关重要。
摘要：随着我国基础设施建设等级的不断提高, 现代桥梁的建设质量受到了更高的关注, 现代桥梁的抗风性能是决定桥梁质量的关键性因素, 分析现代桥梁在抗风方面的理论, 并制定相关措施的执行方案, 对提升现代桥梁的质量至关重要。
关键词：现代桥梁,抗风理论,应用
参考文献
[1]卞乘伟, 王伟.浅析桥梁抗风理论两次跃迁中的辩证法——从悬索桥风毁失败到斜拉桥抗风的成功[J].科技资讯, 2010, 30 (01) :83-84.
福清核电厂址轻钢结构的抗风设计 篇4
关键词：体型系数,风吸力,数据计算,维护结构
一、引言
福清核电厂址基本风压较大 (1KN/m2) , 地面粗糙度类别为A类, 轻钢结构是典型的风敏感结构, 因此, 风荷载成为轻钢结构设计中重要的影响因素。笔者将结合福清核电厂0FC2和8YA子项的工程设计实践, 介绍轻钢结构的抗风设计。
二、开敞式门式刚架风荷载的确定
(一) 设计中是否考虑μs值变号。0FC2为三面开敞、一面毗邻0FC1外墙的门式刚架结构 (屋面坡度4度, 双面坡) 。《门规》[2]中, 未规定完全符合此种结构类型的风荷载体形系数, 根据《门规》[2]A.0.2条附注, 本工程风荷载体形系数及相应的基本风压和阵风系数可按《荷载规范》[1]采用。
对于承重主刚架, 《荷载规范》[1]中开敞式双坡屋面的风荷载体形系数详见《荷载规范》表7.3.1中项次26及项次27。《荷载规范》[1] 表7.3.1项次27的注1中说明:本图屋面对风荷载有过敏反应, 设计时应考虑μs值变号的情况。μs值变号表示屋面将受到向下的风压力, 当与恒载、活载组合时, 将使刚架的计算截面大幅度增加, 《荷载规范》[1]对此条没有更多解释。
《ASCE7》[3]对开敞结构的体形系数有较详细的描述, 详见《ASCE7》[3]第66页Monoslope Free Roofs表 (屋面坡度小于7.5°时, 风压系数按Monoslope Free Roofs取用) 。对于Clear Wind Flow, 屋面均存在风压力;对于Obstructed Wind Flow, 屋面则均为风吸力。可见, 围墙及内部堆放物品对开敞结构屋面风荷载的变化影响很大。需要说明的是《荷载规范》[1]规定的基本风压时距为10min, 《ASCE7》[3]规定的基本风压时距为3s, 中美规范关于时距规定的不同, 决定了结构风荷载计算方法的差异。
(二) 综合分析。 (1) 根据边界层气流特点, 小坡度开敞结构屋面上风压力的产生主要由瞬态风压引起, 特点是作用时间短、方向不稳定, 尤其在迎风面的女儿墙附近方向变化明显, 由《ASCE7》[3]也可知, 风压力主要作用在迎风向的半跨, 下风向的半跨风压力很小或为风吸力。 (2) 根据《ASCE7》[3], 围墙及内部堆放物品对开敞结构屋面风荷载的变化影响很大, 0FC2三面开敞、一面毗邻0FC1外墙, 开敞面均有2m高围墙, 风流动阻碍物较多 (即Obstructed Wind Flow) , 降低了产生较大风压力的可能。综合分析后, 0FC2主刚架风荷载计算未考虑风压力的影响。
(三) 小结。 0FC2主刚架风荷载体形系数按照《荷载规范》[1]表7.3.1项次26、27中绝对大值采用 (项次27注3“当室内堆放物品时, 屋面吸力应增大, 可按第26项a采用”) , 未考虑风压力的影响。
对这种开敞式结构, 建议今后设计时, 在屋檐标高下设计一定高度的墙面板, 这不仅能有效减小μs值变号引起的风压力, 还能起到挡雨的作用。
三、梯形钢屋架风荷载计算
(一) 问题提出。8YA厂房四面封闭, 屋面采用轻型屋面梯形钢屋架, 跨度15m, 屋架下弦形心标高9.235。屋面永久荷载0.4KN/m2, 可变荷载0.5KN/m2, 钢屋架拟选用标准图集《轻型屋面梯形钢屋架》 (05G515) 。
(二) 风荷载作用下建模计算。本工程梯形钢屋架的风荷载计算采用计算得到的风荷载标准值Wk是国标图集《轻型屋面梯形钢屋架》 (05G515) 中容许风荷载标准值的2倍左右, 不能直接选用, 故须进行计算。在风吸力作用下, 下弦杆受压, 按05G515中15m跨度GWJ15-5的下弦杆截面最大, GWJ15-5简图见图1, 采用PK-PM (08版) STS桁架设计模块进行建模。参数设定时弦杆平面外的计算长度应取侧向支承点间的距离。
按福清基本风压1KN/m2输入计算的各种工况下钢结构应力比在下弦第二节间平面内稳定应力比为1.48。通过分析上图数据显示:上弦杆应力比、腹杆应力比、下弦杆强度、平面外稳定应力比均满足要求, 下弦杆平面内稳定应力比不满足要求。
(三) 四种加强方案。为提高下弦杆平面内的稳定性, 设计时考虑了四种加强方案, 比较结果如下:
1.加大下弦杆截面。经试算, 将下弦杆角钢规格由L90x56x5替换为大截面可以满足要求, 但标准图集在杆件节点板连接处, 弦杆与腹杆、腹杆与腹杆之间的间隙20mm是规范规定的最小间隙, 如加大下弦杆截面, 则与下弦杆连接的腹杆长度均要减小 (具体数值须放样确定) , 设计详图的工作量显著加大, 故此方案不可行。
2.提高钢号。将钢材牌号Q235提高为Q345进行试算, 计算结果无明显变化。
3.增加下弦杆截面厚度。 将下弦杆角钢L90x56厚度由5mm度增加为8mm (国标型钢L90x56中最厚规格) , 计算后下弦第二节间平面内稳定应力比为1.08, 仍不满足要求。
4.在第二节间增加竖杆。 增加竖杆, 可以减少平面内的计算长度, 计算结果如图2所示。
(四) 小结。综合上述四种方案, 采用增加竖杆的办法最简单、有效, 最终被采用。可见, 在风荷载较大的福清厂址, 设计若选用标准图集, 应先根据图集的适应性进行分析, 在不满足图集假定条件时, 要进行验算, 采取措施, 进行局部改进, 避免安全隐患。
四、维护结构的抗风设计
进行维护结构设计时, 风荷载会引起较大的结构反应, 风荷载是维护结构设计的控制荷载。
(一) 檩条。 檩条设计常出现的一个问题是忽略计算在风吸力作用下的稳定, 风吸力作用下, 下翼缘受压, 下翼缘会有侧向弯扭失稳问题。《门规》[2]6.3.6条“当在风吸力作用下檩条下翼缘受压时, 拉条宜在檩条上下翼缘附近适当布置”, 所以, 当没有内衬板约束下翼缘时, 应在靠近下翼缘设置拉条系统, 避免失稳破坏。
(二) 檩托。檩托除安装时固定檩条防止檩条倾覆外, 尚要承受檩条因荷载偏心产生的扭矩。因此檩托应有必要的刚度和承载力, 以便对檩条端部提供扭转约束。垂直于斜梁上翼缘设置的单板檩托, 应加焊侧向加劲肋, 以提高其对檩条端部扭转的约束刚度。
(三) 墙板、屋面板、门窗等维护结构的抗风设计。为保证外墙、屋面板、门窗、玻璃、女儿墙及其它围护和装饰构件必须有足够的承载力, 并与主体结构可靠地连接, 防止产生建筑物的局部破坏, 均应进行抗风压设计, 而这些构件一般由建筑专业根据国标图集直接选用。福清厂址基本风压为1KN/m2, 风荷载较大。设计中特别注意给建筑提资说明维护结构不同部位的风荷载标准值, 以便对维护结构进行正确选型 (如压型钢板尽量选用强度较高的高波型板、窗户慎重采用单块面积较大的玻璃等) , 对图集中不能满足抗风要求的, 要特殊处理。
五、结语
风荷载是轻钢结构设计中的重要荷载, 福清厂址设计中, 无论是规范体系选用、刚架建模计算, 还是维护结构选型, 抗风设计尤为重要。因此, 设计人员应引起重视, 进行细致、全面的计算, 仔细推敲, 搞清弄懂, 以取得比较理想的设计效果。
参考文献
[1].《建筑结构荷载规范》GB50009-2001 (2006年版)
[2].《门式刚架轻型房屋钢结构技术规程》CECS102:2002
神农溪特大桥抗风设计与施工 篇5
神农溪特大桥为湖北省宜昌至巴东高速公路跨越神农溪“U”形峡谷而设置的一座特大桥, 是一个跨越深切峡谷复杂地形的特殊工程。桥跨布置[ (4×30) + (80+150+80) + (140+320+140) + (2×30) ]m, 设计速度为80 km/h, 双向四车道, 标准断面宽24.5 m。桥址位于巴东山区, 基本烈度为6度, 设计基本地震加速度值为0.05g, 设计地震分组为第一组。
神农溪为长江北岸的一级支流, 为著名风景区, 为保持风景区原貌, 主桥采用双塔双索面预应力混凝土斜拉桥一跨过溪, 桥址所在地区为单斜地质构造区, 覆盖层较薄, 桥址基岩由白云质灰岩、灰岩、盐溶角砾状灰岩组成, 地质情况较好 (见图1) 。
主梁采用C55混凝土, P—K断面预应力混凝土结构, 顶面宽27.1 m, 梁高3 m, 节段长度有8 m, 5 m两种。横梁为预应力混凝土结构, 厚0.3 m;间距与加劲梁节段长度、斜拉索索距相对应。
“宝石”型空间索塔桥面以上塔高约80 m, 桥塔总高约191.8 (195.8) m;塔墩基础由18根3.0 m的嵌岩端承桩组成。每个主塔布置19对斜拉索, 斜拉索由1 670 MPa镀锌平行钢丝, PE护套组成;采用机械阻尼器和PE护套表面压制凹坑的气动减振措施来抑制风雨激振。神农溪特大桥加劲梁标准横断面见图2。
神农溪斜拉桥采用全漂浮体系, 主梁过渡墩处采用纵向滑动, 横向约束的球钢支座;塔梁交界处竖向支承采用0号斜拉索, 横向约束采用板式橡胶支座及横向限位块, 纵向采用限位块约束大位移。纵向全漂浮体系, 属于长周期结构, 结构抗震有利;纵向限位块约束了罕遇地震下的梁体位移, 能够确保罕遇地震 (E2地震) 作用下, 桥梁仅限位块发生轻微损伤, 梁体本身不经修复或经简单修复即可正常使用。神农溪特大桥跨越“U”形峡谷, 风剖面和湍流特征不同于平原地区;目前针对山区峡谷风的研究偏少, 因此本桥的抗风设计非常重要。主桥采用P—K断面预应力混凝土箱梁, 宝石型桥塔, 空间索面, 结构抗扭刚度较高, 抗风性能有利。大桥采用双悬臂浇筑施工, 施工中最大悬臂状态为159 m (中跨侧) 。斜拉桥施工中的最大悬臂阶段, 是斜拉桥受力最不利阶段之一;考虑施工过程中斜拉桥最大悬臂阶段的主梁风振稳定性;在边跨距桥塔中心线94 m处设置了施工用的临时墩, 提高了施工中的稳定性 (见图3) 。
实际施工中, 为加快施工进度, 减少施工投入, 考虑取消临时墩。为保证施工过程中桥梁风振稳定性, 大桥通过风洞实验进行了抗风专项研究, 确保大桥顺利施工。
2 抗风设计与风洞试验
2.1 设计风速
如果将山区海拔绝对高度转化为高度坐标, 根据风剖面公式, 得出的风速远大于沿海地区台风风速, 明显是不合适的。山区气象站调研资料显示:风速随海拔高度线性增大;海拔高度每增加1 000 m, 基本风速增加1.0 m/s, 不能按照风剖面高度换算的方法推算风速[2]。神农溪特大桥附近供参照的四个气象站100年重现期10 m高度的年平均最大风速平均为24.8 m/s[2];大桥桥位附近山体的平均海拔约450 m, 与四个气象站平均海拔高度408 m一致, 则桥址处基本风速为24.8 m/s。神农溪特大桥处于周围群峰形成的冠层内, 偏保守不考虑地形修正因子, 则大桥桥面处的设计基准风速为24.8 m/s;施工阶段10年重现期的设计基准风速为20.8 m/s。参考类似峡谷风场地实测气象资料, 阵风风速系数GV取1.9。
2.2 结构动力特性分析
结构动力特性分析结果显示:最大双悬臂状态是否设置临时墩对主梁扭弯频率影响不大, 对主梁扭转频率影响4%~7%, 对主梁竖向弯曲频率影响19%~25%;对主梁翘翘板运动状的刚体转动影响最大, 达70%。
2.3 颤振稳定性分析
根据《公路桥梁抗风设计规范》, 100年重现期成桥状态颤振检验风速为40.7 m/s, 施工阶段颤振检验风速为34.1 m/s。
采用主梁节段模型风洞试验测定主梁颤振临界风速。直接法颤振试验结果表明:成桥状态, 相当于实桥风速156 m/s以上未观察到颤振;最大双悬臂状态 (未设置临时墩) , 相当于实桥风速188 m/s以上未观察到颤振发散现象。基于节段模型所测得的加劲梁断面气动参数, 应用耦合颤振的多模态颤振分析方法, 分析得出:成桥状态、最大双悬臂状态、最大单悬臂状态, 颤振临界风速均不低于150 m/s。风洞试验和试验分析均证明:大桥无论在成桥状态, 还是施工阶段最大悬臂状态下不设置临时墩的颤振临界风速均远高于颤振检验风速, 满足颤振稳定性要求。
2.4 风荷载响应分析
用于桥梁结构设计的总风荷载响应应为由平均风引起的静风荷载响应和由脉动风引起的抖振响应峰值的不利组合。对于施工阶段双悬臂状态, 按照《公路桥梁抗风设计规范》[2], 需要考虑对称和不对称两种静风荷载情况, 取两种加载结果的较大值。
加劲梁断面三分力系数是风荷载响应的关键参数, 主梁节段模型风洞测力试验测得的三分力系数为:最大双悬臂不设置临时墩状态下, 0°风攻角作用下, 横向风动力系数为0.752 3, 竖向气动力系数为-0.231 68, 气动俯仰弯矩系数为0.045 22。
风洞试验测振模型与测力模型见图4。
计算表明:施工最大双悬臂状态不设置临时墩时总风荷载位移极大值:中跨主梁端部竖向位移为0.678 m, 侧向为0.064 m;边跨合龙后, 施工最大单悬臂状态总风荷载位移极大值:中跨主梁端部竖向位移为0.124 m, 侧向为0.031 m;位移均处于容许范围内, 同时内力验算表明截面承载力满足要求。
2.5 小结
综上所述, 施工中取消临时墩的情况下, 施工过程中斜拉桥不会发生颤振失稳、结构承载力和位移处于容许范围内;同时结构静力稳定系数大于4.0。为加快施工进度, 施工中取消了临时墩, 施工顺利完成。
3 结语
通过风洞试验与抗风研究, 确保了神农溪特大桥在悬臂浇筑施工中不设置临时墩的情况下, 颤振稳定性满足要求;抖振力作用下结构位移、受力均在允许范围内。最终神农溪特大桥在施工过程中取消了临时墩, 加快了施工进度, 减少了施工投入, 可供类似山区斜拉桥借鉴。
摘要：介绍了神农溪特大桥的工程概况, 通过结构动力特性、颤振稳定性及风荷载响应分析, 对该大桥进行了抗风设计, 并采用风洞试验, 验证了桥梁的风振稳定性, 保证了施工的顺利进行。
关键词：斜拉桥,悬臂,抗风设计,风荷载,稳定性
参考文献
[1]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.宜巴高速神农溪特大桥施工图设计文件[Z].
[2]湖北省宜巴高速公路神农溪特大桥抗风试验研究[Z].同济大学, 2010.
[3]JTG/T D60—01—2004, 公路桥梁抗风设计规范[S].