江阴长江公路大桥钢箱梁体受力分析

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摘要：针对江阴长江公路大桥钢箱梁受力，从风向、风力和交通流量等方面进行分析。主要影响体受力的是风力。

关键词：江阴长江公路大桥、钢箱梁体、受力分析

中图分类号：X734 文献标识码：A 文章编号：

1.概述

江阴长江公路大桥是同三线和京沪线公路主干线上跨越长江的关键工程，为主跨跨径1385m的大跨度悬索桥, 自99年9月建成通车到现在已经近5年时间，为了更好的了解钢箱梁体受力情况，我们于2004年3月15日～3月16日对大桥的风向、风力和交通流量进行了测量并对钢箱梁体进行了受力分析。

2.对大桥的风向、风力和交通流量的测试

2.1测试依据

（1）江阴长江大桥设计文件

（2）江阴长江公路大桥收费站提供的上下行车道小时交通流量统计表

（3）气象台提供的风向、风力资料

2.2测试内容

试验测试内容包括：连续24小时对大桥的大气风向、风力、交通流量等进行监测。

3.风向、风力测试结果及估算

15、16两天风向风级测试结果如表3-1、3-2所示，由于表中给出的实测风速为风速仪测出的10分钟平均风速，而江阴长江大桥纵向和横向长周期飘移的摆动周期主要集中在20～90秒范围内，远短于10分钟，因此，造成桥梁纵向和横向长周期飘移的瞬时风速将大于表给出的风速。根据表3-1、3-2给出的风向和风级的测试结果，按照桥梁顺风向响应风压wZ的计算公式（考虑了脉动风部分），下面根据《公路桥梁抗风设计指南》[1]进行江阴长江大桥主桥受到的风荷载估算（由于资料不全，风荷载中的一些系数按经验取值）：

wZ = wzs + wzd

=μv μsμz w0

其中：wZ：高度z处的风荷载

wzs：高度z 处的平均风荷载

wzd：高度z处的脉动下等效静力风荷载

μv：阵风风速系数

μs：阻力系数

μz：风压高度变化系数

w0：风压

可以计算出相应的风级作用下，桥梁横风向受到的风力F:

F=μv μsμz w0A

μv取为1.38；μs取为1.3、μz取为1.2；

w0=v2/1600（kN/m2）

A=1385×3=4155（m2）

图3-1、3-2为15、16两天风级测试结果。

表3-1 15日风级风速风压风力测试结果

表3-2 16日风级风速风压风力测试结果

注：S代表南风，SE代表东南风，SSE代表南风转东南风。

图3-1 15日风级测试结果

图3-2 16日风级测试结果

按照上面的图和表给出的最大风级对应的风速，初步估算，测试期间梁体横桥向受到的最大瞬时风力为1647.92kN，考虑到梁体的纵桥向受风面积较梁体横桥向的受风面积要小，从偏于安全角度，若假设梁体纵向长周期摆动时，受到的最大瞬时风力为横桥向作用力的0.3，即为494.376 kN。

根据交通部《公路桥涵设计通用规范》（TJT021-89）中的全国基本风压分布图，江阴长江大桥桥址位于600pa等压线上，按平坦空旷地面离地20米高度，频率1/100的10分钟平均最大风速V20=31米/秒，换算到桥面高度h处的风速为：

Vh= V20×E1 =31×1.1=34.1米/秒

E1为高度修正系数，取值1.1。

桥面高度处的设计最大瞬时风速为：

Vhs= Vh×μf=34.1×1.38=47.058米/秒

μf为风速脉动变化修正系数，取值1.38。

则梁体在最大瞬时风力作用下，受到的横桥向作用力F为:

F= μsw0A

μs为阻力系数,取为1.3

w0= Vhs 2/1600（kN/m2）

A为梁体的顺风向受风面积；

A=1385×3=4155（m2）

F=4155×1.3 Vhs 2/1600=7475.863（kN）

纵桥向作用力F1取横桥向作用力F的0.3倍为：

F1=0.3F=0.3×7475.863=2243（kN）

计算结果表明，测试期间桥梁受到的风力远小于桥梁可能受到的最不利风荷载，在设计风速下，箱梁体处于更不利的受力条件下。

4.梁体在风力或车辆纵、横向力作用下的受力分析

图4-1为梁体在风力或车辆纵向力作用下，桥梁的纵向受力简图，图4-2为横向受力简图。梁体在风力或车辆纵向力作用下的受力方程如下：

F纵= Fa + Fz + Fh + Fs

梁体在风力或车辆横向力作用下的受力方程如下：

F横= Fa + Fz + Fh + Fs + Ff

Fa =ma为梁体纵向或横向摆动的惯性力

Fz为梁体受到的支座摩擦阻力（包括竖向支座和塔侧的横向限位支座）

Fh为梁体纵向或横向摆动吊杆产生的回复力

Fs为伸缩缝受到的纵向或横向力

Ff为梁体横向摆动时侧向支座反力

图4-1 梁体在风力或车辆纵向力作用下的受力简图

图4-2 梁体在风力或车辆横向力作用下的受力简图

下面进行梁体纵向摆动时的受力分析：

在梁体刚发生纵向运动时，梁体受到的竖向支座摩擦阻力为竖向支座反力与摩擦系数之积，每端支座的反力约为2200 kN，是每个节段梁体重量的一半，四氟板的动摩擦系数为0.06，即支座总的摩擦阻力Fz约为：

Fz=2×2200μ=2×2200×0.06=264（kN）

在伸缩缝受力最不利的情况下，即在梁体刚刚发生纵向运动时，由于吊杆的偏角很小，吊杆对梁体产生的回复力Fh可以忽略不计，在梁从静止到梁发生纵向运动，梁的加速度较大，而在梁体发生纵向运动以后，梁体做长周期纵向摆动，摆动周期达几十秒，梁的速度变化可以认为很小，这时可假设梁体的惯性力Fa也很小，若再假设梁体在纵向摆动时与塔侧的横向限位支座没有接触，梁体受到的风力或车辆纵向力F纵在扣除竖向支座摩擦阻力以后，主要将经伸缩缝传到桥墩。即：

F纵 = Fa+Fz+Fh+Fs

F纵 = Fa+Fz+Fh+Fs=264（kN）+ Fs

Fs = F纵-264（kN）

5.交通流量

3月15日共通行车辆28363辆，3月16日共通行车辆29729辆，两天交通流量统计结果如图5-1、5-2所示，15日不同车所占比重如表5-1所列，其中车型及划分标准如表5-2所示。

图5-1 3月15日交通流量统计

图5-2 3月15日交通流量统计

表5-1 15日不同车所占比重统计

表5-2 车型及划分标准

采用巡逻雷达测速仪对通过桥梁的车辆速度进行测量，客车（一型车、二型车、三型车）的车速一般在80km/h左右；货车（四型车、五型车、六型车）的车速一般在40km/h左右，因此客车行驶过桥的时间约为60秒，货车行驶过桥的时间约为120秒，按照上述统计的车流量，试验期间，交通高峰时，以15日下午15:00～16:00为例，平均每一时刻在桥上的客车车辆数约为30辆（取每辆4吨），货车车辆数约为6辆（取10吨每辆），车辆的总吨位约为180吨，若假设车辆总数的80%在一侧车道，则粗略地估算单向行驶产生的摩擦力对桥梁的纵向作用约为28.8吨（摩擦系数取0.2）。

6.结论

由单向行驶产生的摩擦力较上述风力估算结果要小，因此，钢箱梁体主要受到的力是风力。由于测试期间，桥梁的车流量较小，且远小于设计的车流量，车辆荷载对箱梁体产生的弯曲变形，及偏载对箱梁体产生的侧弯、侧滚和纵向作用力较小，随着交通运输量的增加，车辆对箱梁体的纵向动力效应将明显加大。

参考文献：

1、《公路桥梁抗风设计指南》，人民交通出版社，项海帆等编。

2、《工程抗风设计计算手册》，中国建筑工业出版社，张相庭编著。

作者简介：汪锋（1976、10-），男，工程师，1999年毕业于华中科技大学交通工程专业，工学学士，现为东南大学桥梁工程专业工程硕士研究生。

陈雄飞（1966、10-），男，高级工程师，1988年毕业于西南交通大学桥梁工程专业，工学学士，研究方向桥梁工程。

孙孝婷（1978、01-），女，助理工程师，1999年毕业于东南大学交通学院路桥专业，工学学士，研究方向道路工程。