山区钢拱架的抗风分析

（重庆交通大学河海学院， 重庆 400074）

山区钢拱架的抗风分析

邓春华

（重庆交通大学河海学院， 重庆 400074）

针对布拖县冯家坪村溜索改桥工程钢拱架未开展地形模型风洞试验、实地风速观测和数值风洞计算的现状，通过文献综述的方法确定钢拱架风环境和风荷载参数，对钢拱架各施工阶段开展抗风性能分析。分析结果表明，钢拱架的应力响应结果较小且都满足设计强度要求和稳定性能要求。

钢拱架；风参数；文献综述；抗风分析

0 引言

随着山区桥梁的大量修建，山区桥梁的抗风性能研究日益重要。山区桥梁通常跨越峡谷，桥址区的风特性异常复杂[1]，目前抗风规范中的相关规定不再适用。布拖县冯家坪村溜索改桥工程钢拱架位于四川省凉山州布拖县，跨越金沙江，桥址区属于西南山区典型的峡谷地貌，有阵风强烈、端流强度大、风攻角大、风速沿桥轴线分布不均匀等特点，对桥梁主体和临时结构产生很大的不利影响。因此，桥址区的风参数研究是开展钢拱架施工阶段抗风性能分析的关键[2]。

1 风环境和风荷载参数的确定

1.风环境参数的确定

钢拱架跨径260m，拱顶高程765.69m，水面高程580m，桥位所处地形为典型山区峡谷地形。由于本桥未开展地形模型风洞试验、实地风速观测和数值风洞计算，因此，钢拱架顶部设计基准风速和其它相关风荷载参数的取值依据国内同类型桥梁的参数拟定[2-4]。将国内典型峡谷地形桥位且开展过地形模型试验或CFD计算的桥梁风参数取值列于表1中。为使钢拱架在施工阶段具有较高的安全储备，钢拱架拱顶设计基准风速取表中最大值34.9m/s；考虑10年风速重现期，设计风速取29.32m/s；参考表1，基于峡谷跨度类似的原则，布拖县溜索改桥工程所处场地类别取与水盘高速北盘江特大桥相同，为D类场地，静阵风系数取1.45，则静阵风风速为42.51m/s。

2.风荷载的确定

受当前的计算条件限制，无法获得足够的钢拱架断面气动参数，因此，作用于钢拱架上的风荷载主要考虑静风力和抖振力。由于桥梁结构的主跨纵向为线形结构，其不利风荷载主要体现在横向，主梁（桁架）上的静阵风荷载仅考虑横桥向风荷载[5]。

表1 国内部分峡谷桥位的风参数

2 结构分析

1.有限元模型的建立

钢拱架包括弦杆、腹杆等部分，其中弦杆采用f 508×16(24)mm的钢管，腹杆为L 100×80×10（mm）型钢。基于ANSYS开展模型建立和分析，采用Beam4单元模拟弦杆和腹杆，采用Link8单元模拟吊索及风缆，约束自由度时，对钢拱架两端、风缆锚固点以及背索锚固点采用固结。模型的建立包含了整体焊接模型以及半焊接模型的建立，其中，半焊接模型指上弦杆焊接上缘一半，下弦杆焊接下缘一半。各个施工阶段的分析模型通过ANSYS中的单元生死实现，以考虑不同施工阶段内力重分布特性。

2.结构分析

基于所确定的风环境和风荷载参数，对钢拱架各施工阶段有限元模型开展结构分析。结构分析包括静阵风响应分析、风振响应分析、稳定分析等。分析时，考虑了结构自重、扣索拉力、风缆初拉力、风荷载和温度荷载，其中，风缆初拉力经试算取80kN，温度荷载取整体升温20℃。

结构响应分析部分结果如表2所示，钢拱架各构件最不利应力均来自最大悬臂施工阶段6和合龙阶段。从表2可知，静风响应结果相近于风振响应结果，全焊接状态下各构件应力极值整体比半焊接状态下的大。

钢拱架在全焊接状态下各施工阶段发生整体失稳的屈曲系数最小为21.707、最大为38.914，可知钢拱架各施工阶段具有一定的稳定性能。

3 结论

（1）当无条件开展地形模型风洞试验、实地风速观测和数值风洞计算时，山区桥梁结构设计基准风速和其它相关风荷载参数可以依据国内同类型桥梁参数拟定；

（2）当钢拱架拱顶设计基准风速取34.9m/s、静阵风系数取1.45并考虑10年风速重现期时，对钢拱架各施工阶段有限元模型开展结构分析，确定出了风缆最优初拉力，此时的钢拱架应力响应较小且都满足设计强度要求和稳定性能要求。

[1]陈政清，李春光，张志田等.山区峡谷地带大跨度桥梁风场特性试验[J]．实验流体力学，2008，22（3）：54-59.

[2]徐洪涛.山区峡谷风特性参数及大跨度桁梁桥风致振动研究[D].成都：西南交通大学，2009.

[3]胡朋.深切峡谷桥址区风特性风洞试验及CFD研究[D].成都:西南交通大学，2013.

[4]庞加斌，宋锦忠，林志兴.山区峡谷桥梁抗风设计风速的确定[J].中国公路学报，2008,21（5）:39-44.

胡峰强.山区风特性参数及钢桁架悬索桥颤振稳定性研究[D].上海：同济大学，2006.

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1007-6344（2017）08-0310-01

邓春华(1994-)，女，四川资阳人，硕士在读研究生，研究方向为城市道路和桥梁工程设计理论与养护技术。