花土坡特大桥施工阶段静力抗风受力分析

花土坡特大桥施工阶段静力抗风受力分析

花土坂特大桥位于花土坂内侧。这是一座单线桥。孔宽6.32m，宽（64m）104m64m，长678.55m。主跨上部采用单箱单室三向预应力钢筋混凝土连续梁,最大跨度104m。6#～10#主墩均为圆端形空心桥墩,其中8#墩高110m,其结构尺寸如图1所示。该桥位于云贵两省交界的深谷垭口之中,长年大风,环境恶劣。主跨上部采用悬灌法施工,最大悬臂长51m。在最大悬臂浇注状态时,桥墩处于最不利受力状态,保证此时桥墩的稳定和受力安全是该桥施工安全的重要环节之一,为此,以8#墩为例,在最不利情况下对其在施工过程中的静力抗风受力进行分析,以确保大桥施工安全。1荷载和抗风分析施工过程中的静力抗风计算考虑的荷载主要有恒载(包括已浇块件、正在浇筑的块件、挂篮重和下部构造重)和上下结构的风载。抗风计算中取2种情况进行荷载计算。工况一:正在浇筑最后一段块件,不平衡重量最大;工况二:块件全部浇筑完成,结构处于最大悬臂状态,仅剩余合龙段未浇筑,此时悬臂最大,处于最不利状态。1.1加载(1)上悬灌梁重力的确定8#墩两边悬灌重量见表1。由于悬灌梁两边完全对称,两边设计重量完全一样。考虑到花土坡特大桥7#墩和9#墩上悬灌梁设计不完全对称,其两边重量相差约3%,再考虑施工中的不均匀性,上部已浇块件的重力以墩中心为界,一侧按设计重量的103%计,另一侧按设计重量的97%计,两边总重量相差6%,荷载如图2所示。在施工中,同时灌筑对称施工的两段时,两边重量相差控制在100kN以内。①工况一悬臂长47m,其墩顶荷载N=31760kN。计算不平衡弯矩时,每一节段梁重心取每节段1/2位置,不平衡弯矩Mz=19414kN·m场景2悬臂长51m,其墩顶处:N=33556kN,Mz=22054kN·m。(2)最后一段中的一段浇注最后一节梁段时,不同工况时最后一节梁增加的力计算如下。不平衡重的计算设计要求悬浇混凝土时尽量对称,其不平衡重力要求控制在100kN,而梁段重为898kN。计算时不平衡重力按一侧为最后块件设计重力加100kN,另一侧为减100kN,悬臂长49m。则墩顶处:N=1796kN,Mz=9800kN·m。场景2在已浇块件中已计入,则N=0,Mz=0。(3)由于挂篮和安装机的负荷，一个挂篮最大重量为550kN,施工机具设备等最大荷载按150kN考虑,合计为700kN。重量的2.4倍考虑计算时,挂篮及施工机具设备的不平衡荷载按其重量的0.4倍考虑;悬臂长度按最后一节段梁重心计算,悬臂长49m。则墩顶处:N=1400kN,Mz=13720kN·m。场景2不计挂篮及施工机具设备荷载不平衡荷载差,则N=1400kN,Mz=0。(4)墩体负荷计算出墩身混凝土体积为7441.6m3,混凝土容重取25kN/m3,则墩身重量N=186040kN。1.2风载按照《铁路桥涵设计规范》(TBJ2-96),为确保安全,最大悬臂施工时风载采用100年一遇频率,基本风压W0=500Pa。(1)梁部纵向风力梁部横桥向迎风面如图3所示,悬灌梁最大悬臂时,伸臂端部有4m直线段,支座跟部有2.6m直线段。为了计算方便,不考虑直线段影响,全段范围均按抛物线考虑,y=4.5+x2/635.92258,这种考虑对结构计算偏于安全。经计算,横向迎风面积A1=299m2;面积形心位置x0=28.47m,y0=3.06m。梁部纵向受风面积较小,计算中不考虑梁部纵向风力。由横桥向风荷载产生竖向风力受风面积,梁部顶宽为7m,悬臂长51m,每边升力面积为A2=357m2。(2)风压梁部横向—①纵横向风压根据铁路桥涵设计规范,每边作用于桥梁上的风荷载强度式中:W0—基本风压值,取500Pa;K1—风载体型系数。梁部横向受风取K1=1.3;桥墩横向属于短边迎风的圆端形截面,但L/b=1.28<1.5,按圆形截面考虑,取K1=0.8;横向属于长边迎风的圆端形截面,L/b<1.5,取K1=0.8;K2—风压高度变化系数。梁部结构均离地面高度在100m以上,梁部横向取1.56;墩身高度0～110m,K2值从1.0～1.56范围变化,而墩身为变载面,宽度在14.62～7.5m范围内变化。桥墩宽乘以K2值基本为一常数,其横向最大值为14.68m,最小12.08m,纵向最大17.43m,最小15.39m,见表2;为简化计算,取桥墩宽乘以K2为一常数,横向为14.68m;纵向为17.43m;K3—地形条件系数。该处位于峡谷风口区,取1.3。对于梁部横向:由式(1)计算得W=1318.2Pa。对于墩身:由式(1)计算得横纵向风压均为W=520K2Pa。风载升力系数横向风荷载产生的竖向风压式中:K2、K3—意义同公式(1)。K2取1.56,K3取1.3;K4—风载升力系数,取0.4。由式(2)计算得Wv=405.6Pa。(3)风负荷合控制结构验算横向风载采用100年一遇频率,不平衡风载情况按一侧为100%,另一侧为50%,采用这种风载组合控制结构是安全的。其计算图式如图4所示。梁部横桥向水平力Qh=(1+0.5)A1W=591kN。支座高度为330mm,梁部横桥向水平风力重心距墩顶为4.87m,每边风力重心距墩中心为22.53m。则在墩顶处横向弯矩Mh=2878kN·m;扭矩T=4440kN·m。竖向风载组合结构不平衡竖向风荷载按一侧为100%,另一侧为50%,采取这种竖向风载组合结构是安全的。梁部竖向升力Pv=(1+0.5)A2Wv=217kN。在墩顶处产生的纵向弯矩Mz=1846kN·m。墩身厚度计算计算图式如图5所示。墩身横向风荷载qh=b1W,其中b1为墩身纵向宽度。经计算qh=7.634kN/m。横向水平剪力Qh=qhH,其中H为墩身高度。经计算Qh=840kN。横向弯矩Mh=QhH/2=46200kN·m。纵向水平剪力qz墩身纵向风荷载qz=b2W,其中b2为横向宽度,经计算qz=9.064kN/m。纵向水平剪力Qz=qzH=997kN。纵向弯矩Mz=QzH/2=54835kN·m。2梁段荷载的不平衡产生弯矩的情况根据可能发生的施工情况,施工阶段的荷载按以下工况进行2种组合。组合一正在悬臂浇筑最后一段梁段,未出现异常大风。这时的荷载组合为:已浇梁段竖向荷载和其不平衡产生的恒载弯矩,挂篮重(包括挂篮及施工机具设备不平衡产生的弯矩)以及最后一块梁段荷载(包括竖向荷载和其不平衡性的恒载弯矩)。在这种情况下,由于风载较小,不考虑其影响。荷载组合结果见表3。组合二大风时,最后一段块件已经浇筑完成,边跨还未合龙,处在最大悬臂状态。这种的荷载组合为:已浇梁段荷载(包括竖向荷载和其不平衡产生的弯矩)以及风载,荷载组合结果见表4。3墩体强度测试3.1墩底截面面积墩顶截面按空心顶墩身截面计算,壁厚0.78m,圆端形直径D=7.5m,不考虑钢筋的作用,如图1所示。计算得截面面积A0=19.734m2;截面惯性矩Ix=131m4,Iy=256m4。为偏于安全,墩底截面按空心底墩身截面考虑,壁厚取2.94m,D=14.62m,如图1所示。计算得截面面积A0=120.173m2;截面惯性矩Ix=2385m4,Iy=4349m4。3.2计算截面刚度截面应力计算公式为式中:σ—截面应力;N—截面压力;M—截面弯矩;h—计算点的高度;I—截面惯性矩;[σ]—墩身C30混凝土容许抗压强度,取10.5MPa。(1)mpa表达墩顶应力由式(3)计算得σ=(1771±1226)kN/m2=(1.771±1.226)MPa<[σ]=10.5MPa。墩底应力由式(3)计算得σ=(1839±131)kN/m2=(1.839±0.131)MPa<[σ]=10.5MPa。(2)载荷组合2客车疲劳试验pca计算墩顶应力由式(3)计算得σ=(1.760±0.54)MPa<[σ]=10.5MPa。墩底应力由式(3)计算得σ=(1.837±0.219)MPa<[σ]=10.5MPa。墩身强度核算顺桥向墩顶应力不控制。墩底应力由式(3)计算得σ=(1.839±0.236)MPa<[σ]=10.5MPa。在施工过程中,墩身强度均符合要求。扭矩较小,应力不控制,不作验算。4抗弯刚度计算墩身稳定的计算图式,为上端自由、下端固定,用欧拉公式计算临界力,即式中:E—混凝土弹性模量,取3.1×104MPa;I—墩身抗弯刚度,取墩身最小截面墩顶截面顺桥向抗弯