鋼管混凝土系桿拱橋風(fēng)荷載的計算

鋼管混凝土系桿拱橋風(fēng)荷載的計算

在港口技術(shù)的引導(dǎo)橋結(jié)構(gòu)中，混凝土環(huán)拱橋通常是在地面上安裝的，通常是在海上風(fēng)條件下懸掛和安裝的。較小的是，由于海拔高度較低，管道混凝土環(huán)拱橋的長度（通常為70.130m）和跨數(shù)較少，施工速度快。在較低的結(jié)構(gòu)上，由于跨度的增加和跨境數(shù)的減小，較低的結(jié)構(gòu)施工速度也快，減少了較低的結(jié)構(gòu)數(shù)量，降低了項目成本?；炷镰h(huán)拱橋形狀為彩虹，形狀美觀。因此，管道混凝土環(huán)拱橋在港口工程中得到了廣泛應(yīng)用。例如，曹金堂原油輸送項目、大連30萬油輸送項目和日本、30萬噸原油輸送項目采用了管道混凝土系桿拱橋結(jié)構(gòu)。在鋼管混凝土拱橋廣泛應(yīng)用于港口工程的同時,由于港口工程特別是外海工程受風(fēng)荷載的影響較大,有時風(fēng)荷載可能會成為其控制因素,而現(xiàn)行規(guī)范對該類型結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載的計算理論不甚完善,各種規(guī)范計算結(jié)果差異較大。本文通過對大連港某工程鋼管混凝土系桿拱橋?qū)Ρ?分析了5種規(guī)范的6種計算方法的差異,發(fā)現(xiàn)了其中的計算問題,并提出了相關(guān)的建議。1透空透空橋面結(jié)構(gòu)碼頭結(jié)構(gòu)中鋼管混凝土拱橋的一般跨度較大(一般在70～130m)、荷載大,單片拱肋一般采用雙肢桁式斷面,按照J(rèn)TGD60—2004《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》港口工程中的鋼管混凝土拱橋跨度一般較大,因此拱肋和橋面系梁之間圍成的區(qū)域空隙也很大;同時一般行車道側(cè)橋面結(jié)構(gòu)為有鋪裝的連續(xù)結(jié)構(gòu),而管線側(cè)(油碼頭)或皮帶機(jī)側(cè)(散貨碼頭)橋面結(jié)構(gòu)為透空結(jié)構(gòu)(其上鋪設(shè)鋼格柵或不設(shè))。根據(jù)以上鋼管混凝土拱橋結(jié)構(gòu)特點,行車道的系梁風(fēng)荷載按照實腹橋梁結(jié)構(gòu)計算其風(fēng)荷載,而管線或皮帶機(jī)側(cè)的透空結(jié)構(gòu)在國內(nèi)規(guī)范中沒有具體說明風(fēng)荷載的計算方法,可參照桁架結(jié)構(gòu)的遮擋系數(shù)對背風(fēng)面的構(gòu)件進(jìn)行折減。對于橋面管線帶或皮帶機(jī)應(yīng)按照GB50009—2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》吊索的風(fēng)荷載計算可參照J(rèn)TG/TD60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》對于雙肢桁式斷面拱肋的風(fēng)荷載計算,可將拱肋單獨考慮為桁架結(jié)構(gòu)計算,按照文獻(xiàn)[1]第4.3.7條和表4.3.7-4計算,其中兩側(cè)拱肋一般間隙大于1m,需要分別考慮其風(fēng)荷載的計算,同時需要考慮橫撐和K撐的風(fēng)荷載。但是在計算過程中發(fā)現(xiàn)文獻(xiàn)[1]計算的拱肋風(fēng)荷載和其它類似規(guī)范相比差別較大,以下詳細(xì)對比分析了5種規(guī)范的拱肋風(fēng)荷載的計算方法和差異。2鋼管混凝土系桿系桿系拱肋風(fēng)荷載計算方法研究分析本文把拱肋考慮為鋼管桁架結(jié)構(gòu)計算其風(fēng)荷載,分別研究了JTGD60—2004《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》、JTG/TD60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》、BS5400-Part3:Codeofpracticefordesignofsteelbridges本文以大連港某工程鋼管混凝土系桿拱橋為例計算拱肋風(fēng)荷載,該引橋全長299.9m,采用三跨下承式鋼管混凝土系桿拱橋,單跨長97.9m,計算跨徑92.5m,矢跨比為1/5,橋面全寬19.1m,橋面使用寬度內(nèi)為11.7m寬管線帶3.8m行車道,拱肋間距為16.5m,單片拱肋采用雙肢桁式斷面,由直徑1m弦桿和直徑0.3m腹桿焊接而成,上、下弦桿軸線間距2m。該引橋拱肋桁架迎風(fēng)面面積為224.6m2.1基準(zhǔn)風(fēng)壓和風(fēng)阻力系數(shù)空氣密度:ρ=1.2017e基本風(fēng)壓:高度23.4m處的考慮地面粗糙度類型和梯度風(fēng)的風(fēng)速高度變化修正系數(shù)k設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)壓:,則拱肋桁架的風(fēng)阻力系數(shù)按照表4.3.7-4選取為圓柱桁架的風(fēng)阻力系數(shù)k2.2根據(jù)第4.3條。4.采用jtgt60-01-2004年道路橋抗風(fēng)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)和表4.3.4-1的方法計算拱式風(fēng)負(fù)荷上表對于圓柱型構(gòu)件的選項中為Dv按照表4.2.1靜陣風(fēng)系數(shù)G2.3最大陣風(fēng)風(fēng)速v英標(biāo)BS5400計算風(fēng)荷載時依據(jù)小時風(fēng)速計算的,按照Portdesigner’shandbook-Recommendationsandguidelines場地小時平均風(fēng)速v最大陣風(fēng)風(fēng)速v標(biāo)準(zhǔn)橫向風(fēng)荷載P2.4根據(jù)第7條。c.拱頂?shù)娘L(fēng)負(fù)荷是根據(jù)第9條計算的主要承重結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓w2.4.1采用框架內(nèi)雙臂的鉤子計算上下雙管的空氣管基本風(fēng)壓w拱肋的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓w2.4.2整體體型系數(shù)μb/h=16.5/3=5.5,查表7.3.1第32項η=0.45,則兩榀平行桁架的整體體型系數(shù)如按照推理,將迎面結(jié)構(gòu)和背風(fēng)面結(jié)構(gòu)分離開,迎風(fēng)面拱肋風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓w2.5根據(jù)第11條。jts144-1-2010年港口工程負(fù)荷規(guī)范該規(guī)范的風(fēng)荷載的計算方法是參照文獻(xiàn)[2]制定的,其計算方法和參考文獻(xiàn)[2]相同。2.6拱肋桁架風(fēng)壓的角度分析以上5種規(guī)范的計算方法的計算結(jié)果見表1,其中文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[2]相同。從表1中計算結(jié)果可看出《通用規(guī)范》的計算結(jié)果明顯偏大;《抗風(fēng)規(guī)范》計算結(jié)果偏小,前者的計算結(jié)果大約為后者的1.62倍。BS5400在迎風(fēng)面拱肋的計算結(jié)果和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中按架空管道考慮的計算結(jié)果基本相同?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中按土建桁架結(jié)構(gòu)考慮迎風(fēng)面拱肋的計算結(jié)果介于《通用規(guī)范》和《抗風(fēng)規(guī)范》的計算結(jié)果之間,同時比BS5400計算結(jié)果小;而背風(fēng)面拱肋的計算結(jié)構(gòu)在所有規(guī)范中計算結(jié)果最小。從計算過程中的陣風(fēng)風(fēng)速的角度分析,可發(fā)現(xiàn)《通用規(guī)范》計算的陣風(fēng)風(fēng)速最大;《抗風(fēng)規(guī)范》、BS5400計算的陣風(fēng)風(fēng)速較相近;《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算的陣風(fēng)風(fēng)速介于其之間。從計算過程中可發(fā)現(xiàn)《通用規(guī)范》計算的陣風(fēng)風(fēng)速偏大是由于陣風(fēng)系數(shù)1.38較其它規(guī)范取值大。從計算過程中的拱肋桁架的風(fēng)阻力系數(shù)(土建規(guī)范中稱為體型系數(shù))的角度分析,可發(fā)現(xiàn)《通用規(guī)范》的風(fēng)阻力系數(shù)最大為1.2,《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中按土建桁架結(jié)構(gòu)計算的體型系數(shù)(或風(fēng)阻力系數(shù))最小為0.59。在公路橋梁的3個設(shè)計規(guī)范計算過程中,從拱肋桁架的風(fēng)阻力系數(shù)的取值趨勢可看出:《抗風(fēng)規(guī)范》和BS5400的風(fēng)阻力系數(shù)取值趨勢完全相同,《通用規(guī)范》規(guī)定的圓管桁架的風(fēng)阻力系數(shù)的取值趨勢正好和《抗風(fēng)規(guī)范》及BS5400的取值趨勢相反,通過研究分析發(fā)現(xiàn)當(dāng)把《通用規(guī)范》表4.3.7-4中的基本風(fēng)壓W從迎風(fēng)面和背風(fēng)面結(jié)構(gòu)的遮擋系數(shù)角度分析,可發(fā)現(xiàn)JTGD60—2004《公路橋梁設(shè)計通用規(guī)范》和《抗風(fēng)規(guī)范》沒有迎風(fēng)面和背風(fēng)面的區(qū)別,而是直接對所有桁架乘上折減系數(shù),從受風(fēng)的先后順序及遮擋效應(yīng)來說這樣是不合理的。BS5400考慮迎風(fēng)面和背風(fēng)面的區(qū)別,對背風(fēng)面面桁架乘遮擋系數(shù)進(jìn)行折減?！督ㄖY(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中按上下雙管架空管道計算拱肋的風(fēng)荷載時,其不考慮背風(fēng)面的折減。《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中按土建桁架結(jié)構(gòu)計算拱肋的風(fēng)荷載時,沒有考慮迎風(fēng)面和背風(fēng)面,而是將這個桁架作為一個整體計算,對于大跨度的鋼管混凝土拱橋來說,風(fēng)荷載的空間效應(yīng)是應(yīng)該考慮的,按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》計算其風(fēng)荷載是存在不合理性的。最后從迎面面和背風(fēng)面的計算結(jié)果之和可發(fā)現(xiàn),《抗風(fēng)規(guī)范》和BS5400計算的迎風(fēng)面和背風(fēng)面的整體結(jié)果差別不大(差別在8%以內(nèi))。2.7拱肋桁架風(fēng)荷載的分析從以上分析可得出如下結(jié)論:《通用規(guī)范》的陣風(fēng)系數(shù)取值較其它規(guī)范大,圓管桁架的風(fēng)阻力系數(shù)的取值參數(shù)存在問題,建議對其修改研究;《抗風(fēng)規(guī)范》沒有考慮迎風(fēng)面和背風(fēng)面的區(qū)別,建議作出相應(yīng)的調(diào)整以區(qū)分迎風(fēng)面和背風(fēng)面的風(fēng)荷載;BS5400在計算鋼管混凝土拱橋拱肋的風(fēng)荷載時區(qū)分迎風(fēng)面和背風(fēng)面,其參數(shù)的取值也較為合理;《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中將拱肋按架空管道計算時,迎風(fēng)面的計算結(jié)果和BS5400非常接近,但無法考慮背風(fēng)面拱肋桁架結(jié)構(gòu);《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》中按照土建桁架結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載計算不適用于海上大跨度鋼管混凝土拱肋桁架的風(fēng)荷載的計算。因此建議采用BS5400計算港口工程中鋼管混凝土拱橋的拱肋的風(fēng)荷載,當(dāng)不考慮其迎面和背風(fēng)面的風(fēng)荷載的區(qū)別時也可采用《抗風(fēng)規(guī)范》計算。3解釋一:橫向風(fēng)荷載作用下的成網(wǎng)模式由于港口工程鋼管混凝土拱橋的拱肋向上突出并且其受風(fēng)面積較大,因此風(fēng)荷載較大。拱橋的水平風(fēng)荷載需要通過支座傳遞到下部結(jié)構(gòu)(沉箱結(jié)構(gòu)或樁基結(jié)構(gòu))上。在承受傳遞的水平風(fēng)荷載的同時,橫向水平風(fēng)荷載會導(dǎo)致在拱橋順橋向固定位移的一端的兩個支座處形成整體的扭轉(zhuǎn),最終導(dǎo)致沿橋梁順橋向的水平反力過大,例如大連港某工程97.9m鋼管混凝土系桿拱橋在計算過程中發(fā)現(xiàn)該水平反力為900kN,該反力如通過支座來抵抗的話,不僅造成支座的尺寸過大,同時也導(dǎo)致支座造價的提高。通過三維空間桿系有限元計算分析,發(fā)現(xiàn)在風(fēng)荷載作用下如在拱橋順橋向固定位移的一端的兩個支座處釋放一個支座的順橋向位移約束時,釋放順橋向位移的支座在順橋向的位移在4mm左右。單向滑動支座在固定方向一般可預(yù)留5mm左右的位移空間,因此橫向風(fēng)荷載導(dǎo)致的支座順橋向扭轉(zhuǎn)水平反力可通過設(shè)定支座固定方向的微小位移量來釋放掉。但是在計算橋上結(jié)構(gòu)傳遞的順橋向水平力(如橋梁順橋向風(fēng)荷載、油管線的軸向水平力或皮帶機(jī)的牽引力等)時,其順橋向水平反力是不能通過設(shè)定支座固定方向的微小位移空間釋放掉的。4鋼管混凝土系抗風(fēng)設(shè)計的風(fēng)荷載詳細(xì)分析了港口工程中鋼管混凝土拱橋各個部位的風(fēng)荷載的計算方法;并對比了5種規(guī)范的拱肋桁架風(fēng)荷載的計算方法,發(fā)現(xiàn)部分規(guī)范存在問題或不適用于港口工程鋼管混凝土拱橋的風(fēng)荷載的計算,建議采用BS5400計算港口工程中鋼管混凝土拱橋的拱肋的風(fēng)荷載,當(dāng)不考慮其迎面和背風(fēng)面風(fēng)荷載的區(qū)別時也可采用JTG/TD60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范