大跨度混凝土斜拉桥静风稳定性分析

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1、大跨度混凝土斜拉桥施工阶段静风稳定性分析魏艳超1李松延21.上海建科工程咨询有限公司，上海，2000322.上海建科工程芥询有限公司，上海，200032摘要：大跨度斜拉桥结构整体刚度较小，对风荷载作用十分敏感。当前斜拉桥的施工一般釆用悬臂施工法，在全桥合拢时会发生体系转挽。斜拉桥主梁未合拢前，整个结构处于悬臂状态，很容易在风荷载的作用下发生失稳破坏。使用大型有限元软件MIDAS/Civil,对重庆轨道交通六号线蔡家大桥进行施工阶段的静风稳定性分析，结合风洞试验相关数据，计算桥梁的静风临界失稳风速，并总结结构刚度随主梁长度的变化规律，进而评估该桥的抗风性能。关

2、键词：混凝土；斜拉桥；施工阶段；静风稳定性1引言进入新世纪之后，我国的桥梁建设突飞猛进。斜拉桥的发展更是一日千里，其跨径己经跨越了千米大关，应用越来越广泛。斜拉桥是直接将主梁用多根斜拉锁锚同在桥塔上的一种桥梁结构体系，其结构刚度比其他桥型要小得多，属于柔性结构，在荷载作用下呈现出较为明的几何非线性特征。在风荷载的作川下极易发生失稳。在斜拉桥的施工过程中，由于采用蛣忾施工法造成全桥合拢时会发生体系转换，故对斜拉桥施工过程中的静风稳定性也应给与重视。本文以重庆轨道交通六号线蔡家大桥的施工为例，分析斜拉桥各关键施工阶段结构的静风稳定性。2三维非线性分析理论在我国现

3、行的《公路桥梁抗风设计规范》巾规定：斜拉桥的主跨大于400米时必须要进行静风稳定性验算。在对斜拉桥进行静风稳定性分析时，现今最常用的理论是三维非线性分析理论。为了对桥梁结构进行三维非线性分析，需要先将作用在桥面主梁上的空气静力做一步简化，一般是将其分解。静力三分力是对分解后的空气静力的称呼，具体即横向风荷载/],、竖向风荷载Pv和扭转矩M,如图1所示：PH=0.5pVX⑷"Pv=0.5p/；Cv(^)BM=0.5pV；Cw（^）^式中：—节段模型试验测得的静力三分力系数，是相对攻角汉的函数；V—桥面主梁高度处的來流平均风速；p为空气密度；匕为风速；H、B分

4、别为主梁高度与桥面宽度。按照杆系结构空间稳定理论，问题可归结为求解如丁形式的线性方程：［k（u）］U=f［Pfl（a）,Pv（6K）,M（6r）］（2）式中：（/—结构的位移；>⑻］—结构的非线性刚度矩阵；G⑻、⑻、M⑻一分别表示结构体轴方向上所受的阻力、升力和升力矩；f［PH（^物），—静风荷裁。由式（2）可知，结构变形是结构的刚度与静风荷载的函数。而这个函数的求解也存在一定的W难，现在一般采川迭代法才能求解方程。要完全解决结构变形的整个过程，就必须引入增量法。于是便可转为下列线性迭代有限元平衡方程组的求解.•（［“-，［《山似吒+如）-〜〜）｝（3）式中

5、：［A；；］H>j-1迭代步结束时结构的几何刚度矩阵和线弹性刚度矩阵；&（6^）—第j-1迭代步结來后相对攻角为时作用在结构上的静风荷载向量；一第j迭代步相对攻危力％时作川在结构上的静风荷载向量迭代步的位移增量向量。J式（3）的右端项表示增量法中所引入的静风荷载增量。为了获得准确的结构受力和变形状态，每一个迭代步P、j都要在得到静风荷载增W:后，进行结构的儿何非线性有限元分析。收敛准则在求解非线性问题时是至关重要。迭代的收敛速度和分析精度直接与收敛准则的好坏相关。本文经过研究，把收敛准则确定为国际通用的静力三分力系数的欧几里得范数,如下式：3?w-q(aH)

6、]./=!(K=H,VfM)(4)y=i式中：&为预定的收敛精度：Na为受到空气静力作用的节点总数。该方法的具体求解步骤如下：（1）确定桥梁结构在自重作用下的初始状态。⑵假定初始风速，并计算在初始风攻角下结构承受的静风荷载。（3）11•算静风荷载增量并添加到结构上进行几何非线性有限元分析，得到变化后结构的平衡状态。⑷根据结构变形值，确定各单元变化后的相对攻角，重新计算变化后的静风荷载。⑸根据三分力系数的欧几里得范数判定是否收敛。若不收敛，返回⑶再一次迭代；若收敛，输出结果。依据上述理论分析，使用Fortan语言编写BSNAA分析程序计算该斜拉桥的临界静风失稳

7、风速。3工程基本资料六号线二期蔡家嘉陵江特大桥工程是轨道交通六号线连接北碚区和渝北区的重要节点工程，该桥梁全长1250m,主桥结构布罝形式为60+135+250+135+60m双索面斜混凝土拉桥，塔梁固结，主梁采用单箱单室等梁高混凝土箱梁，梁宽15m，梁高3.5m。全桥共56对斜拉索，锚固于箱梁两侧横肋的靠边缘位置，斜拉索在主梁的标准间距为8m、在主塔上标准间距为2.2m。主梁横断面布置图见图2,主桥立面布置图见图3。图3桥梁立面布置图4计算结果分析为了便于计算，取整个施工过程的四个关键的施工阶段，即桥梁结构体系发生改变的阶段來进行代表性分析。这叫个施工阶段

8、分别为桥塔自立阶段、最大双钴忾施工阶段、最大单悬臂施