连续刚构桥超高墩的风荷载模型与抗风构造研究.pdf

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连续刚构桥超高墩的风荷载模型与抗风构造研究 郭 琦 ,田巨峰 ,尹海军 ,闫 雯 ,汪 洁 (1.西安建筑科技大学土木工程学院,陕西 西安 710055;2.结构工程与抗震教育部重点实验室,陕西 西安 710055; 3.西部建筑科技国家重点实验室(筹),陕西 西安 710055;4.陕西省公路勘察设计院,陕西 西安 710068) 摘 要 :为 了对一座具有超高墩 的预应力混凝土连续刚构桥在施工过程 中的抗风性能进行分析 ,依据桥址处 的风环境确定了上、下部结构区别对待的风荷载模型.在最大悬臂典型工况下与静风荷载进行了对 比分析,并 在此基础上对该桥 的抗风构造措施进行 了优化.结果表 明:在文 中构造 的风荷载模型中同时考虑 了风压廓线 变化及冲击作用对超高墩单 T结构的影响,其响应输出更能反映出超高墩具有 的特殊风动力特性,同时增加 的风撑横系梁构造能够显著降低风荷载下墩顶位移 ,值得 同类桥型抗风设计 中借鉴. 关键词 :悬臂施工;超高墩 ;风荷载模型;抗风构造 中图分类号 :TU378.8 文献标识码 :A 文章编号 :1006—7930(2010)05—0637—05 在我国西部地区,由于地质水文条件 的特殊性 ,需跨越 山谷 ,西部地 区的许多桥梁结构 的桥墩为超 过 50m的高墩.虽然各国学者对连续刚构桥空心薄壁桥墩风致振动下的动力性能与安全性评估进行 了大量研究_1],但这些研究成果主要是针对墩高在 50m~8OITI范围内的常规高墩嘲.目前 ,对于墩高 超过 150ITI的超高墩 ,由于其具有截面尺寸大、结构周期长、墩身质量大等特点,风作用的分布存在剧 烈波动;另一方面,在依据 《公路桥涵设计通用规范》(JTGD60—2004)中考虑建筑高度影响因素的风压 计算荷载时,规定以距离地面 lOm高,重现期为 100a,10rain的平均最大风速计算确定的基本风压为 基准 ].然而,这一规定对于高差接近 170ITI的超高墩单 T结构而言,基准位置的变化会直接导致超高 墩抗风设计中构造尺寸与配筋型式的巨大差异 ,从而产生过度保守或偏于不安全的结构设计.因此,文 中在这类超出常规设计范畴的拟极端问题中,探索在既有静风荷载模型的基础上建立起适用于超高墩 的针对性风荷载模型,依此进行超高墩乃至高耸结构的风致振动响应及安全性评估的分析. 1 风荷载模型 风是空气流动,在时间和空间上的变化都是极其复杂的,对结构物的影响也是极其复杂的 .因此 在满足工程精度的条件下考虑桥址处的具体情况对风荷载作合理的抽象和模型化是允许和必要的. 1.1 静力风压荷载 在应用静力风压荷载计算结构物的安全度时 ,一般是将风速折合成风压进行结构设计计算 .对于 基本风速或基本风压要考虑频率系数 ,地形 、地理条件系数 ,高度系数和体型系数 四种 因素,根据需要乘 以相应的系数 ,可求得设计风速和设计风压[7],如式(1)所示. F h一是。愚1愚3W oA h (1) 式中:Wo为基本风压 ;足。为设计风速频率换算系数 ;愚 为风载阻力系数 ;志。为地形 、地理条件系数 ;A 为迎风面积. 1.2 廓线指数风荷载模型a 针对超高墩下部结构 的特点,构造廓线指数风荷载子模型 a.以 《公路桥涵设计通用规范》(JTG D60—2004)横桥向静风荷载值计算公式为基础 ,计人瞬时脉动风压的影响,建立的风载一高度相关关系 的数学表达如 式 (2)所不 . z 一 繁 ::= 式中:F (),Fc()分别为纵 、横桥向作用于z高度处超高墩的风荷载值 ;H为墩身高度 ;b为墩身顺桥 向截面短边尺寸;n为墩身横桥向宽度突变截面短边尺寸;i为墩身截面变化坡比;g为重力加速度,按 9.806m /s取 用. 1.3 动力冲击风荷载模型 b 根据桥址处动风荷载的分布与变化规律,结合最大悬 臂时上部箱梁的受力特点,构造如图1所示的半波正弦动力 冲击荷载子模型 ,并作用于上部结构以分析其抗风性能. 模型的数学表达式如式(3)所示. F(z)一F sin(~b丌) (3)

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