摘要:內(nèi)蒙古某特大橋?yàn)橹骺?50米的預(yù)應(yīng)力混凝土高橋墩連續(xù)剛構(gòu)橋，位于峽谷出口處，風(fēng)速較大。文章利用有限元方法建立其模型，模擬橋梁的施工過程。研究其結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性和風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力和變形，為橋梁施工和控制提供參考。
關(guān)鍵詞:橋梁；風(fēng)荷載；有限元
 
1概述

內(nèi)蒙古某特大橋是一座預(yù)應(yīng)力混凝土變截面連續(xù)剛構(gòu)橋。橋梁全長327m，主跨150m，跨徑組合為(85+150+85)m，箱梁高度從距墩中心4.75m處到跨中合攏段處按二次拋物線變化,如圖1所示。
圖1 大橋布置圖
主梁采用單箱單室變截面預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面寬度26.0m，單幅箱梁頂面寬12.5m,底面寬6.5m，翼緣寬3.O m。頂面設(shè)1.5%的單向橫坡。腹板厚度從跨中0.40m漸變至墩頂處的0.80m；底板厚度從跨中0.32m漸變至墩梁固結(jié)處的1.20m；頂板厚度0.28m漸變至墩頂處的0.40m。主橋橋墩采用雙壁墩，主墩最大高度45m，左右兩幅橋采用整體式承臺(tái)。
    上部結(jié)構(gòu)采用掛籃懸臂澆注施工：箱梁與主墩固結(jié)形成兩個(gè)Ｔ構(gòu)，每個(gè)T構(gòu)分20個(gè)施工節(jié)段，采用掛籃懸臂現(xiàn)澆法分段對(duì)稱、獨(dú)立施工。全橋合攏順序?yàn)椋孩賰蛇吙绾蠑n；②中跨合攏；③二期恒載，以此順序進(jìn)行施工。其施工過程見圖2。

圖2 橋梁施工過程圖
內(nèi)蒙古某特大橋主墩墩高45米，主墩較高，且位于峽谷型河段，設(shè)計(jì)風(fēng)速33m/s，風(fēng)速較大，由于剛構(gòu)橋墩和箱梁共同受力，因此，必須進(jìn)行施工過程中橋梁的動(dòng)力學(xué)分析和風(fēng)載振動(dòng)研究，以考慮風(fēng)載效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力、變形的影響。
2 橋梁自振頻率和振型
利用橋梁結(jié)構(gòu)有限元軟件MIDAS/Civil分別對(duì)橋墩施工完畢、箱梁第20號(hào)節(jié)段施工完畢（T構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)）和全橋合攏三個(gè)工況下的橋梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特征值分析，得到各工況下橋梁結(jié)構(gòu)的自振頻率與振型。
表1、表2、表3分別為橋墩施工完畢、懸澆T構(gòu)處于最大懸臂狀態(tài)和全橋合攏時(shí)的結(jié)構(gòu)自振頻率，給出各工況下橋梁結(jié)構(gòu)前12階模態(tài)的自振頻率。圖3則繪出第一種工況下結(jié)構(gòu)的前5階主振型。
表1 橋墩施工完畢時(shí)的自振頻率

模態(tài)	圓頻率(弧度/秒)	頻率(1/秒)	周期(秒)
1	5.3	0.8	1.182
2	13.2	2.1	0.477
3	32.2	5.1	0.195
4	74.9	11.9	0.084
5	86.2	13.7	0.073
6	126.7	20.2	0.050
7	159.5	25.4	0.039
8	186.0	29.6	0.034
9	245.7	39.1	0.026
10	316.4	50.3	0.020
11	338.0	53.8	0.019
12	376.9	60.0	0.017

表3 全橋合攏時(shí)的自振頻率

模態(tài)	圓頻率(弧度/秒)	頻率(1/秒)	周期(秒)
1	2.9	0.47	2.15
2	3.1	0.49	2.03
3	5.5	0.87	1.15
4	6.5	1.04	0.96
5	7.7	1.22	0.82
6	8.9	1.41	0.71
7	10.8	1.72	0.58
8	12.5	1.99	0.50
9	12.7	2.02	0.50
10	15.8	2.51	0.40
11	17.0	2.70	0.37
12	17.1	2.73	0.37

由表1到表3可以看出，隨著橋梁施工的逐步進(jìn)行，結(jié)構(gòu)的自振頻率（包含頻率和圓頻率）逐步減小，而周期增大。
3 風(fēng)荷載振動(dòng)分析
內(nèi)蒙古某特大橋位于峽谷出口，風(fēng)大墩高。該處的風(fēng)荷載具有陣風(fēng)的特點(diǎn)，與沖擊荷載比較相似。考慮風(fēng)荷載比較復(fù)雜，在滿足工程精度的條件下，對(duì)風(fēng)荷載作適當(dāng)?shù)暮?jiǎn)化，并將此風(fēng)荷載反復(fù)作用于橋梁結(jié)構(gòu)上。
按照動(dòng)力風(fēng)荷載和《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的靜力風(fēng)荷載F_Wh的作用沖量相等的原則確定F_M的值：
                                    （1）
式中F_Wh為按《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》取得的風(fēng)荷載靜力值。
采用MIDAS/Civil建立全橋四種模型：橋墩施工完畢、第六階段施工完畢（此時(shí)逢內(nèi)蒙古冬季，橋梁施工停止半年左右時(shí)間）、第20階段施工完畢（最大懸臂）和全橋合攏。風(fēng)荷載垂直作用在各施工工況模型的橋墩、梁側(cè)面，利用有限元分析得到了風(fēng)載動(dòng)力效應(yīng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)受力、變形的影響。
橋梁在施工過程中T構(gòu)懸臂段不斷延長，迎風(fēng)面積不斷增大，其靜力風(fēng)荷載顯然是逐漸增大的。而動(dòng)力風(fēng)荷載引起的橋梁結(jié)構(gòu)側(cè)向位移，如表4所示�？梢钥吹剑�隨著T構(gòu)懸臂段的不斷延長，橋墩頂部由于風(fēng)載引起的側(cè)向位移也不斷增大；到第20節(jié)段施工完畢，懸臂段最長，橋墩頂部側(cè)向位移達(dá)到最大值2.39cm,而全橋合攏后，由于全橋共同抵抗風(fēng)荷載作用，橋墩頂部的側(cè)向位移反而減小為1.83cm。
另外，由于動(dòng)力風(fēng)荷載的沖擊造成的的箱梁懸臂端部的側(cè)向位移也是逐漸增大的。
表4 動(dòng)力風(fēng)荷載引起的橋梁最大側(cè)向位移(cm)

	橋墩施工完畢	第6節(jié)段	第20節(jié)段	全橋合攏
位置	－	懸臂端部	懸臂端部	跨中
側(cè)向位移	－	1.63	3.88	4.96
位置	橋墩頂部	橋墩頂部	橋墩頂部	橋墩頂部
側(cè)向位移	0.15	1.17	2.39	1.83

動(dòng)力風(fēng)載對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的應(yīng)力也有很大的影響，表5為風(fēng)荷載引起的橋梁關(guān)鍵截面的拉應(yīng)力�？梢钥吹剑�隨著懸臂的不斷增長，風(fēng)荷載引起的拉應(yīng)力也不斷增大，到T構(gòu)懸臂最大時(shí)（第20節(jié)段施工完畢），橋墩底部和箱梁根部的拉應(yīng)力均達(dá)到最大值，分別為3.26MPa和0.89MPa。而全橋合攏后，由于動(dòng)力風(fēng)荷載引起的橋墩底部和箱梁根部的拉應(yīng)力反而會(huì)減小。
表5動(dòng)力風(fēng)荷載引起的橋梁關(guān)鍵截面的最大拉應(yīng)力(MPa)

	橋墩施工完畢	第6節(jié)段	第20節(jié)段	全橋合攏
橋墩底部	0.25	1.63	3.26	2.53
箱梁根部		0.10	0.89	0.47
中跨合攏處				0.90

通過以上分析，可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)力風(fēng)荷載引起的橋梁結(jié)構(gòu)的最大側(cè)向位移和最大拉應(yīng)力，在懸臂施工階段，隨著懸臂的伸長而逐漸增大，而全橋合攏后，其相應(yīng)數(shù)值會(huì)減小，即橋梁合攏后抵抗風(fēng)荷載的能力比懸臂最大階段要強(qiáng)。
根據(jù)以上分析，對(duì)風(fēng)荷載引起的內(nèi)蒙古某特大橋的線形和應(yīng)力的影響應(yīng)予以足夠重視，為施工和控制提供參考。
4 結(jié)論
文章采用有限元分析軟件對(duì)內(nèi)蒙古某特大橋分別進(jìn)行了施工結(jié)構(gòu)分析，分析了結(jié)構(gòu)的特征值和風(fēng)荷載引起的效應(yīng)。表明隨著結(jié)構(gòu)懸臂施工懸臂段的伸長，由風(fēng)荷載產(chǎn)生的最大側(cè)向位移和拉應(yīng)力逐漸增大，當(dāng)橋梁結(jié)構(gòu)合攏后，由于結(jié)構(gòu)整體性的增強(qiáng)，其位移和應(yīng)力相反有所減弱。本文分析為特大橋梁施工和控制提供有益參考。
參考文獻(xiàn)

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