【摘要】本文首先通過(guò)模型風(fēng)洞試驗(yàn)獲得丫譬沙大橋轉(zhuǎn)體施工時(shí)各結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)，進(jìn)而根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)大橋施工狀態(tài)進(jìn)行了抗風(fēng)穩(wěn)定性研究及風(fēng)致內(nèi)力分析，分析表明丫含沙大橋轉(zhuǎn)體施工時(shí)不會(huì)發(fā)生風(fēng)致傾覆及風(fēng)致強(qiáng)度問(wèn)題。
關(guān)鍵詞 鋼管混凝土拱橋 轉(zhuǎn)體施工 抗風(fēng)穩(wěn)定性 風(fēng)洞試驗(yàn)
一、概述
廣州丫髻沙大橋主橋?yàn)殇摴芑炷料禇U拱橋，主跨達(dá)360m，為目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)橋梁之最。因橋位地形、橋下通航、橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)等原因，該橋采用轉(zhuǎn)體施工工藝進(jìn)行施工。其主要過(guò)程是先在支架上形成拱肋，然后堅(jiān)轉(zhuǎn)主拱肋至設(shè)計(jì)高度，而后又整體平轉(zhuǎn)到位。在平轉(zhuǎn)過(guò)程中主、邊拱肋均脫離了施工支架，整個(gè)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤(pán)支撐。
丫髻沙大橋地處沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，其施工設(shè)計(jì)風(fēng)速為35.4m／s。在平轉(zhuǎn)時(shí)主、邊拱肋懸臂長(zhǎng)度均較大，其主拱肋懸臂水平投影長(zhǎng)度達(dá)172m，邊拱肋懸臂水平投影長(zhǎng)度為72m，兩者相差又較大，因而其所受的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)載很大，且會(huì)力作用點(diǎn)又有較大的偏心。因此橋梁在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的抗風(fēng)安全性是設(shè)計(jì)、施工等單位所十分關(guān)心的問(wèn)題，本文對(duì)該橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的風(fēng)致傾覆穩(wěn)定性和風(fēng)致內(nèi)力進(jìn)行了模型風(fēng)洞試驗(yàn)及計(jì)算分析研究。
丫髻沙大橋的轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)由索塔、邊拱、主拱和轉(zhuǎn)盤(pán)等組成。鑒于實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)造、空氣三維流動(dòng)、風(fēng)向角等的復(fù)雜性，本文采取了將風(fēng)洞模型試驗(yàn)與有限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。下面介紹采用該方法進(jìn)行研究的主要過(guò)程及結(jié)論。
二、模型風(fēng)洞試驗(yàn)
為了研究丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性和風(fēng)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力，首先應(yīng)獲得結(jié)構(gòu)上作用的風(fēng)力，對(duì)于三維空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其風(fēng)致作用力應(yīng)有6個(gè)分量，即六分力。
模型風(fēng)洞試驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量風(fēng)在模型上作用的六分力，進(jìn)而求得相應(yīng)的六分力系數(shù)，為有限元數(shù)值分析提供數(shù)據(jù)。
如分別以Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，My，Mz表示六分力，以 Cx，Cy，Cz，CMx，CMy，CMz表示相應(yīng)的六分力系數(shù)。則可定義：
力
式中，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速，H和B為結(jié)構(gòu)特征尺度，原則上可取任何尺寸，本文統(tǒng)一取H為塔高，B為兩拱之間特征尺度。這樣，根據(jù)模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的模型的六分力及試驗(yàn)風(fēng)速，即可求得相應(yīng)的六分力系數(shù)。
模型試驗(yàn)在西南交通大學(xué) XNJD-1風(fēng)洞第一試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段尺寸為 3.6m X3.0m X 8.0m（寬X高X長(zhǎng)），穩(wěn)定風(fēng)速為0.5～22.5m／s。根據(jù)試驗(yàn)段尺寸及測(cè)力試驗(yàn)的要求，將模型幾何縮尺比取為1:120。模型由索塔、主拱（含撐架）、邊拱和上轉(zhuǎn)盤(pán)幾部分構(gòu)成，索塔、主拱和邊拱采用不同直徑的細(xì)銅棒及薄銅板焊接而成，上轉(zhuǎn)盤(pán)用硬木加工而成。測(cè)力用的六分量天平安裝在模型上轉(zhuǎn)盤(pán)底部。為了保證模型區(qū)的流場(chǎng)品質(zhì)，采用0.5m高的鋼管立柱將模型升高。鋼管立柱下端與風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤(pán)相連，轉(zhuǎn)盤(pán)可在水平面內(nèi)作360°回轉(zhuǎn)，以改變模型的水平偏角（β角）。β角的定義為：當(dāng)風(fēng)向與橋跨向正交時(shí)且沿如圖1所示x軸負(fù)向時(shí)，β=0°；當(dāng)風(fēng)向?yàn)轫槝蛳驎r(shí)，β=+90°表示風(fēng)自主跨向邊跨方向吹；β=-90°表示風(fēng)自邊跨向主跨方向吹。試驗(yàn)在均勻流條件下進(jìn)行，來(lái)流速度由設(shè)置的模型上風(fēng)側(cè)的熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)量。
根據(jù)傾覆穩(wěn)定性及內(nèi)力的計(jì)算需要，測(cè)力試驗(yàn)除需獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)之外，還需分別獲得索塔、主拱和邊拱各自的六分力系數(shù)。為此，試驗(yàn)按索塔（狀態(tài)一）、索塔十邊拱（狀態(tài)二）、索塔十主拱（狀態(tài)三）、索塔十邊拱十主拱（狀態(tài)四）四種狀態(tài)進(jìn)行。這樣，如取相同的結(jié)構(gòu)特征尺度，由狀態(tài)二所得的六分力系數(shù)減去狀態(tài)一所得的六分力系數(shù)即為邊拱的六分力系數(shù)；由狀態(tài)三所得的六分力系數(shù)減去狀態(tài)一所得的六分力系數(shù)即為主拱的六分力系數(shù)，索塔和全結(jié)構(gòu)各自的六分力系數(shù)分別由狀態(tài)一和狀態(tài)四的求得。
考慮到轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中可能遭遇各個(gè)方向來(lái)風(fēng)，試驗(yàn)的水平偏角共設(shè)置13個(gè)，即從β=-90°到β=+90°，每15°一個(gè)間隔，每個(gè)偏角情況下的六分力均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得，試驗(yàn)風(fēng)速取V＝6m／s和V＝10m／s兩種，以考查雷諾數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
試驗(yàn)表明，在每種β角情況下，由狀態(tài)一、二、三獲得的索塔、邊拱和主拱各自的六分力系數(shù)之和。均與狀態(tài)四測(cè)得的全結(jié)構(gòu)六分力系數(shù)之值吻合良好。這表明，對(duì)于此類(lèi)透風(fēng)良好的行架結(jié)構(gòu)，各部分之間的流場(chǎng)相互干擾作用微弱，可忽略不計(jì)，按前述方法分四種狀態(tài)測(cè)量索塔、邊拱、主拱等各自的六分力系數(shù)是合理的。試驗(yàn)還表明。每個(gè)水平偏角時(shí)兩種風(fēng)速下獲得的六分力系數(shù)基本一致。這說(shuō)明在此風(fēng)速范圍內(nèi)雷諾數(shù)影響不大，同時(shí)也避免了測(cè)量中的偶然誤差。
限于篇幅，本文僅給出表1所示的全結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)。
三、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能計(jì)算分析
根據(jù)丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)先主拱豎轉(zhuǎn)然后整體平轉(zhuǎn)，而主拱豎轉(zhuǎn)時(shí)邊拱有支架支撐，因而施工過(guò)程中風(fēng)致最不利狀態(tài)應(yīng)為平轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)，其風(fēng)致內(nèi)力的控制截面位于塔底和拱腳。本文采用基于三維有限元方法的橋梁結(jié)構(gòu)分析程序BSSAP計(jì)算上述截面的風(fēng)致內(nèi)力以及抗風(fēng)索的風(fēng)致張力。結(jié)構(gòu)無(wú)抗風(fēng)索狀態(tài)時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，對(duì)于主拱肋的上弦及下弦，分別將其簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?duì)于扣索和抗風(fēng)索，則采用考慮初張力的桿單元。根據(jù)試驗(yàn)得出的結(jié)構(gòu)各部分六分力系數(shù)，分別按風(fēng)速沿橋長(zhǎng)方向均勻分布（情況1）和非對(duì)稱(chēng)分析（情況2）兩種情況對(duì)結(jié)構(gòu)加載，風(fēng)速滑橋長(zhǎng)方向的不均勻分布參照英國(guó)規(guī)范BS5400方法進(jìn)行，取邊拱風(fēng)速為主拱風(fēng)速的1:
另外，施工設(shè)計(jì)還要求，在強(qiáng)風(fēng)條件下不宜進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。并應(yīng)在主拱肋兩邊設(shè)置抗風(fēng)索，故本文按施工時(shí)可能遇到的風(fēng)速如6級(jí)風(fēng)情況進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，還考慮遭遇極端風(fēng)的意外情況，按施工設(shè)計(jì)風(fēng)速V＝35.4m／s進(jìn)行了內(nèi)力計(jì)算。
1．傾覆穩(wěn)定性計(jì)算
結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)自重構(gòu)成的抗傾覆力矩與風(fēng)力構(gòu)成的傾覆力矩二者之間的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速低于傾覆臨界風(fēng)速時(shí)，傾覆力矩小于抗傾覆力矩，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的；當(dāng)風(fēng)速高于傾覆臨界風(fēng)速時(shí)，傾覆力矩大于抗傾覆力矩，結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆。
傾覆穩(wěn)定性計(jì)算按考慮與不考慮風(fēng)速沿橋長(zhǎng)方向和不均勻性?xún)煞N情況進(jìn)行。風(fēng)速沿橋長(zhǎng)方向的不均勻性參照英國(guó)規(guī)范BS5400方法，取邊拱風(fēng)速為主拱風(fēng)速的1：。
計(jì)算時(shí)按元抗風(fēng)索情況進(jìn)行，根據(jù)結(jié)構(gòu)重力、重心位置及撐腳位置，可計(jì)算出抗傾覆力矩之值；根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的各部分六分力系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)加載，求得傾覆力矩，由此可確定各種β角情況下的傾覆臨界風(fēng)速。
計(jì)算表明：當(dāng)風(fēng)向角β=-60°且不考慮風(fēng)速滑橋長(zhǎng)方向的不均勻性時(shí)，發(fā)生傾覆的臨界風(fēng)速為最低，為97m／s。如考慮陣風(fēng)效應(yīng)的作用，則據(jù)文獻(xiàn)[1]，相應(yīng)于橋位處1類(lèi)地表粗糙度的風(fēng)速陣風(fēng)因子為 1.38，則施工設(shè)計(jì)風(fēng)速的陣風(fēng)風(fēng)速為 1.38 X 35.4＝48.9m／s。可見(jiàn)，發(fā)生傾覆的最低臨界風(fēng)速已遠(yuǎn)大于該陣風(fēng)風(fēng)速，其工作安全系數(shù)達(dá)到 97.0 ／48.9＝1.98，因此, 該橋轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)不會(huì)發(fā)生傾覆現(xiàn)象。
2．風(fēng)致平轉(zhuǎn)力矩計(jì)算
由于轉(zhuǎn)盤(pán)兩邊的主、邊拱的結(jié)構(gòu)形式及長(zhǎng)度不同，作用于結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載會(huì)產(chǎn)生使全結(jié)構(gòu)發(fā)生平轉(zhuǎn)的力矩MY，而平轉(zhuǎn)力矩對(duì)轉(zhuǎn)體施工是十分不利的。本文計(jì)算分析了不同風(fēng)速、不同水平偏角時(shí)風(fēng)致平轉(zhuǎn)力矩，表2列出了最不利情況β=15°時(shí)不同風(fēng)速下的My值。
表2給出了6級(jí)風(fēng)以上至施工設(shè)計(jì)風(fēng)速各級(jí)風(fēng)速時(shí)兩種情況下的平轉(zhuǎn)力矩，小于6級(jí)風(fēng)時(shí)的平轉(zhuǎn)力矩可根據(jù)風(fēng)速的平方比例關(guān)系求得。
從表2可知，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)風(fēng)荷載作用下發(fā)生平轉(zhuǎn)的力矩較大，尤其是當(dāng)考慮風(fēng)沿橋跨的空間不均勻分布（情況2）時(shí)，其平轉(zhuǎn)力短更大，約為對(duì)稱(chēng)加載時(shí)的5倍。建設(shè)施工單位根據(jù)平轉(zhuǎn)時(shí)的氣象條件及轉(zhuǎn)盤(pán)所能提供的平轉(zhuǎn)低抗力矩考慮是否設(shè)置止轉(zhuǎn)裝置。
3．風(fēng)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算
鑒于不同氣象條件下可能采取不同的抗風(fēng)措施，風(fēng)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算考慮常遇風(fēng)如6級(jí)風(fēng)和施工設(shè)計(jì)風(fēng)速極端風(fēng)兩種風(fēng)速情況進(jìn)行，根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，在極端風(fēng)時(shí)主拱肋兩側(cè)張拉抗風(fēng)索。因此，按下列四種工況進(jìn)行：
（l）6級(jí)風(fēng)（相應(yīng)于橋面風(fēng)速V＝17m／s）作用下，拱肋兩側(cè)未張拉抗風(fēng)索，上轉(zhuǎn)盤(pán)底部摩擦力足以提供平轉(zhuǎn)嵌固作用。
（2）6級(jí)風(fēng)（V＝17m／s）作用下，拱肋兩側(cè)張拉抗風(fēng)索，上轉(zhuǎn)盤(pán)底部同樣由摩擦力提供平轉(zhuǎn)嵌固作用。
（3）施工設(shè)計(jì)風(fēng)速（V＝35.4m／s排用下，拱肋兩側(cè)抗風(fēng)索完全張拉，轉(zhuǎn)盤(pán)處設(shè)置平轉(zhuǎn)止轉(zhuǎn)裝置，且正常工作，故上轉(zhuǎn)盤(pán)底部為嵌固。
（4）施工設(shè)計(jì)風(fēng)速（V＝35.4m／s排用下，拱肋兩側(cè)抗風(fēng)索完全張拉，假定止轉(zhuǎn)裝置失效，上轉(zhuǎn)盤(pán)底部?jī)H由動(dòng)摩擦力（摩擦系數(shù)取0.04）提供平轉(zhuǎn)抵抗力矩。
分別按工況1、工況2、工況 3和工況4計(jì)算出由風(fēng)載引起的抗風(fēng)索張力和控制截面的內(nèi)力。計(jì)算表明，在工況2、工況3時(shí)拱肋抗風(fēng)索張力較小，而在工況4且風(fēng)速非對(duì)稱(chēng)條件下（情況二），長(zhǎng)抗風(fēng)索的張力為1287kN，短抗風(fēng)索的張力為645kN。很顯然，工況4時(shí)的抗風(fēng)索張力與預(yù)緊力之和已大于抗風(fēng)索的承載能力，而此時(shí)由轉(zhuǎn)盤(pán)底部摩擦力提供的力矩難以抵抗風(fēng)致平轉(zhuǎn)力矩，這對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是十分不利的。這也說(shuō)明，在轉(zhuǎn)盤(pán)處設(shè)置止轉(zhuǎn)裝置是必要的。
表3給出了工況1、工況太工況3在均勻風(fēng)速作用下控制截面的軸力。由于非對(duì)稱(chēng)風(fēng)速情況下的內(nèi)力均較均布風(fēng)速情況下小，故未列出。而工況4，由于此時(shí)已無(wú)法約束結(jié)構(gòu)整體平轉(zhuǎn)，其內(nèi)力計(jì)算已失去意義。
由表3可見(jiàn)，在6級(jí)風(fēng)作用下，設(shè)與不設(shè)拱肋抗風(fēng)索對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面的內(nèi)力影響很小。對(duì)于止轉(zhuǎn)裝置工作的工況3，結(jié)構(gòu)控制截面的內(nèi)力也不大。
另外，應(yīng)注意到拱助抗風(fēng)索的張力的豎向分力會(huì)產(chǎn)生順橋向的附加傾覆力矩，為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，建議施工單位，如果在平轉(zhuǎn)過(guò)程中遇到強(qiáng)風(fēng)，而此時(shí)邊跨尚無(wú)支架支撐，應(yīng)在邊跨、主跨兩邊同時(shí)設(shè)置抗風(fēng)索。
四、結(jié)論
通過(guò)前述的風(fēng)洞試驗(yàn)及計(jì)算分析研究，可以得出如下結(jié)論：
(1)丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，在施工設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生風(fēng)致傾覆問(wèn)題。
（2）結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)表明，丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)致內(nèi)力較小，不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)致強(qiáng)度破壞的情況。
（3）為了提高丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工中的穩(wěn)定性，建議在轉(zhuǎn)盤(pán)處設(shè)置止轉(zhuǎn)裝置，以防在施工過(guò)程中遭遇意外強(qiáng)風(fēng)襲擊而發(fā)生風(fēng)致轉(zhuǎn)動(dòng)。
參考文獻(xiàn)
【1】公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南．北京：人民交通出版社， 1996
關(guān)鍵詞 鋼管混凝土拱橋 轉(zhuǎn)體施工 抗風(fēng)穩(wěn)定性 風(fēng)洞試驗(yàn)
一、概述
廣州丫髻沙大橋主橋?yàn)殇摴芑炷料禇U拱橋，主跨達(dá)360m，為目前國(guó)內(nèi)同類(lèi)橋梁之最。因橋位地形、橋下通航、橋梁結(jié)構(gòu)本身的特點(diǎn)等原因，該橋采用轉(zhuǎn)體施工工藝進(jìn)行施工。其主要過(guò)程是先在支架上形成拱肋，然后堅(jiān)轉(zhuǎn)主拱肋至設(shè)計(jì)高度，而后又整體平轉(zhuǎn)到位。在平轉(zhuǎn)過(guò)程中主、邊拱肋均脫離了施工支架，整個(gè)結(jié)構(gòu)由轉(zhuǎn)盤(pán)支撐。
丫髻沙大橋地處沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)區(qū)，其施工設(shè)計(jì)風(fēng)速為35.4m／s。在平轉(zhuǎn)時(shí)主、邊拱肋懸臂長(zhǎng)度均較大，其主拱肋懸臂水平投影長(zhǎng)度達(dá)172m，邊拱肋懸臂水平投影長(zhǎng)度為72m，兩者相差又較大，因而其所受的強(qiáng)風(fēng)風(fēng)載很大，且會(huì)力作用點(diǎn)又有較大的偏心。因此橋梁在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的抗風(fēng)安全性是設(shè)計(jì)、施工等單位所十分關(guān)心的問(wèn)題，本文對(duì)該橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的風(fēng)致傾覆穩(wěn)定性和風(fēng)致內(nèi)力進(jìn)行了模型風(fēng)洞試驗(yàn)及計(jì)算分析研究。
丫髻沙大橋的轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)由索塔、邊拱、主拱和轉(zhuǎn)盤(pán)等組成。鑒于實(shí)際結(jié)構(gòu)構(gòu)造、空氣三維流動(dòng)、風(fēng)向角等的復(fù)雜性，本文采取了將風(fēng)洞模型試驗(yàn)與有限元數(shù)值分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究。下面介紹采用該方法進(jìn)行研究的主要過(guò)程及結(jié)論。
二、模型風(fēng)洞試驗(yàn)
為了研究丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中的抗風(fēng)穩(wěn)定性和風(fēng)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力，首先應(yīng)獲得結(jié)構(gòu)上作用的風(fēng)力，對(duì)于三維空間結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其風(fēng)致作用力應(yīng)有6個(gè)分量，即六分力。
模型風(fēng)洞試驗(yàn)的目的是通過(guò)測(cè)量風(fēng)在模型上作用的六分力，進(jìn)而求得相應(yīng)的六分力系數(shù)，為有限元數(shù)值分析提供數(shù)據(jù)。
如分別以Fx，F(xiàn)y，F(xiàn)z，My，Mz表示六分力，以 Cx，Cy，Cz，CMx，CMy，CMz表示相應(yīng)的六分力系數(shù)。則可定義：
力
式中，ρ為空氣密度，V為風(fēng)速，H和B為結(jié)構(gòu)特征尺度，原則上可取任何尺寸，本文統(tǒng)一取H為塔高，B為兩拱之間特征尺度。這樣，根據(jù)模型風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)得的模型的六分力及試驗(yàn)風(fēng)速，即可求得相應(yīng)的六分力系數(shù)。
模型試驗(yàn)在西南交通大學(xué) XNJD-1風(fēng)洞第一試驗(yàn)段進(jìn)行，該試驗(yàn)段尺寸為 3.6m X3.0m X 8.0m（寬X高X長(zhǎng)），穩(wěn)定風(fēng)速為0.5～22.5m／s。根據(jù)試驗(yàn)段尺寸及測(cè)力試驗(yàn)的要求，將模型幾何縮尺比取為1:120。模型由索塔、主拱（含撐架）、邊拱和上轉(zhuǎn)盤(pán)幾部分構(gòu)成，索塔、主拱和邊拱采用不同直徑的細(xì)銅棒及薄銅板焊接而成，上轉(zhuǎn)盤(pán)用硬木加工而成。測(cè)力用的六分量天平安裝在模型上轉(zhuǎn)盤(pán)底部。為了保證模型區(qū)的流場(chǎng)品質(zhì)，采用0.5m高的鋼管立柱將模型升高。鋼管立柱下端與風(fēng)洞轉(zhuǎn)盤(pán)相連，轉(zhuǎn)盤(pán)可在水平面內(nèi)作360°回轉(zhuǎn)，以改變模型的水平偏角（β角）。β角的定義為：當(dāng)風(fēng)向與橋跨向正交時(shí)且沿如圖1所示x軸負(fù)向時(shí)，β=0°；當(dāng)風(fēng)向?yàn)轫槝蛳驎r(shí)，β=+90°表示風(fēng)自主跨向邊跨方向吹；β=-90°表示風(fēng)自邊跨向主跨方向吹。試驗(yàn)在均勻流條件下進(jìn)行，來(lái)流速度由設(shè)置的模型上風(fēng)側(cè)的熱線(xiàn)風(fēng)速儀測(cè)量。
根據(jù)傾覆穩(wěn)定性及內(nèi)力的計(jì)算需要，測(cè)力試驗(yàn)除需獲得整個(gè)結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)之外，還需分別獲得索塔、主拱和邊拱各自的六分力系數(shù)。為此，試驗(yàn)按索塔（狀態(tài)一）、索塔十邊拱（狀態(tài)二）、索塔十主拱（狀態(tài)三）、索塔十邊拱十主拱（狀態(tài)四）四種狀態(tài)進(jìn)行。這樣，如取相同的結(jié)構(gòu)特征尺度，由狀態(tài)二所得的六分力系數(shù)減去狀態(tài)一所得的六分力系數(shù)即為邊拱的六分力系數(shù)；由狀態(tài)三所得的六分力系數(shù)減去狀態(tài)一所得的六分力系數(shù)即為主拱的六分力系數(shù)，索塔和全結(jié)構(gòu)各自的六分力系數(shù)分別由狀態(tài)一和狀態(tài)四的求得。
考慮到轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中可能遭遇各個(gè)方向來(lái)風(fēng)，試驗(yàn)的水平偏角共設(shè)置13個(gè)，即從β=-90°到β=+90°，每15°一個(gè)間隔，每個(gè)偏角情況下的六分力均由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)獲得，試驗(yàn)風(fēng)速取V＝6m／s和V＝10m／s兩種，以考查雷諾數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。
試驗(yàn)表明，在每種β角情況下，由狀態(tài)一、二、三獲得的索塔、邊拱和主拱各自的六分力系數(shù)之和。均與狀態(tài)四測(cè)得的全結(jié)構(gòu)六分力系數(shù)之值吻合良好。這表明，對(duì)于此類(lèi)透風(fēng)良好的行架結(jié)構(gòu)，各部分之間的流場(chǎng)相互干擾作用微弱，可忽略不計(jì)，按前述方法分四種狀態(tài)測(cè)量索塔、邊拱、主拱等各自的六分力系數(shù)是合理的。試驗(yàn)還表明。每個(gè)水平偏角時(shí)兩種風(fēng)速下獲得的六分力系數(shù)基本一致。這說(shuō)明在此風(fēng)速范圍內(nèi)雷諾數(shù)影響不大，同時(shí)也避免了測(cè)量中的偶然誤差。
限于篇幅，本文僅給出表1所示的全結(jié)構(gòu)的六分力系數(shù)。
三、結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能計(jì)算分析
根據(jù)丫髻沙大橋轉(zhuǎn)體施工設(shè)計(jì)要求，施工時(shí)先主拱豎轉(zhuǎn)然后整體平轉(zhuǎn)，而主拱豎轉(zhuǎn)時(shí)邊拱有支架支撐，因而施工過(guò)程中風(fēng)致最不利狀態(tài)應(yīng)為平轉(zhuǎn)狀態(tài)，此時(shí)，其風(fēng)致內(nèi)力的控制截面位于塔底和拱腳。本文采用基于三維有限元方法的橋梁結(jié)構(gòu)分析程序BSSAP計(jì)算上述截面的風(fēng)致內(nèi)力以及抗風(fēng)索的風(fēng)致張力。結(jié)構(gòu)無(wú)抗風(fēng)索狀態(tài)時(shí)的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示，對(duì)于主拱肋的上弦及下弦，分別將其簡(jiǎn)化為梁?jiǎn)卧?duì)于扣索和抗風(fēng)索，則采用考慮初張力的桿單元。根據(jù)試驗(yàn)得出的結(jié)構(gòu)各部分六分力系數(shù)，分別按風(fēng)速沿橋長(zhǎng)方向均勻分布（情況1）和非對(duì)稱(chēng)分析（情況2）兩種情況對(duì)結(jié)構(gòu)加載，風(fēng)速滑橋長(zhǎng)方向的不均勻分布參照英國(guó)規(guī)范BS5400方法進(jìn)行，取邊拱風(fēng)速為主拱風(fēng)速的1:
另外，施工設(shè)計(jì)還要求，在強(qiáng)風(fēng)條件下不宜進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工。并應(yīng)在主拱肋兩邊設(shè)置抗風(fēng)索，故本文按施工時(shí)可能遇到的風(fēng)速如6級(jí)風(fēng)情況進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，還考慮遭遇極端風(fēng)的意外情況，按施工設(shè)計(jì)風(fēng)速V＝35.4m／s進(jìn)行了內(nèi)力計(jì)算。
1．傾覆穩(wěn)定性計(jì)算
結(jié)構(gòu)的傾覆穩(wěn)定性取決于結(jié)構(gòu)自重構(gòu)成的抗傾覆力矩與風(fēng)力構(gòu)成的傾覆力矩二者之間的關(guān)系。當(dāng)風(fēng)速低于傾覆臨界風(fēng)速時(shí)，傾覆力矩小于抗傾覆力矩，結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定的；當(dāng)風(fēng)速高于傾覆臨界風(fēng)速時(shí)，傾覆力矩大于抗傾覆力矩，結(jié)構(gòu)發(fā)生傾覆。
傾覆穩(wěn)定性計(jì)算按考慮與不考慮風(fēng)速沿橋長(zhǎng)方向和不均勻性?xún)煞N情況進(jìn)行。風(fēng)速沿橋長(zhǎng)方向的不均勻性參照英國(guó)規(guī)范BS5400方法，取邊拱風(fēng)速為主拱風(fēng)速的1：。
計(jì)算時(shí)按元抗風(fēng)索情況進(jìn)行，根據(jù)結(jié)構(gòu)重力、重心位置及撐腳位置，可計(jì)算出抗傾覆力矩之值；根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的各部分六分力系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)加載，求得傾覆力矩，由此可確定各種β角情況下的傾覆臨界風(fēng)速。
計(jì)算表明：當(dāng)風(fēng)向角β=-60°且不考慮風(fēng)速滑橋長(zhǎng)方向的不均勻性時(shí)，發(fā)生傾覆的臨界風(fēng)速為最低，為97m／s。如考慮陣風(fēng)效應(yīng)的作用，則據(jù)文獻(xiàn)[1]，相應(yīng)于橋位處1類(lèi)地表粗糙度的風(fēng)速陣風(fēng)因子為 1.38，則施工設(shè)計(jì)風(fēng)速的陣風(fēng)風(fēng)速為 1.38 X 35.4＝48.9m／s。可見(jiàn)，發(fā)生傾覆的最低臨界風(fēng)速已遠(yuǎn)大于該陣風(fēng)風(fēng)速，其工作安全系數(shù)達(dá)到 97.0 ／48.9＝1.98，因此, 該橋轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)不會(huì)發(fā)生傾覆現(xiàn)象。
2．風(fēng)致平轉(zhuǎn)力矩計(jì)算
由于轉(zhuǎn)盤(pán)兩邊的主、邊拱的結(jié)構(gòu)形式及長(zhǎng)度不同，作用于結(jié)構(gòu)的風(fēng)荷載會(huì)產(chǎn)生使全結(jié)構(gòu)發(fā)生平轉(zhuǎn)的力矩MY，而平轉(zhuǎn)力矩對(duì)轉(zhuǎn)體施工是十分不利的。本文計(jì)算分析了不同風(fēng)速、不同水平偏角時(shí)風(fēng)致平轉(zhuǎn)力矩，表2列出了最不利情況β=15°時(shí)不同風(fēng)速下的My值。
表2給出了6級(jí)風(fēng)以上至施工設(shè)計(jì)風(fēng)速各級(jí)風(fēng)速時(shí)兩種情況下的平轉(zhuǎn)力矩，小于6級(jí)風(fēng)時(shí)的平轉(zhuǎn)力矩可根據(jù)風(fēng)速的平方比例關(guān)系求得。
從表2可知，結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)風(fēng)荷載作用下發(fā)生平轉(zhuǎn)的力矩較大，尤其是當(dāng)考慮風(fēng)沿橋跨的空間不均勻分布（情況2）時(shí)，其平轉(zhuǎn)力短更大，約為對(duì)稱(chēng)加載時(shí)的5倍。建設(shè)施工單位根據(jù)平轉(zhuǎn)時(shí)的氣象條件及轉(zhuǎn)盤(pán)所能提供的平轉(zhuǎn)低抗力矩考慮是否設(shè)置止轉(zhuǎn)裝置。
3．風(fēng)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算
鑒于不同氣象條件下可能采取不同的抗風(fēng)措施，風(fēng)致結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算考慮常遇風(fēng)如6級(jí)風(fēng)和施工設(shè)計(jì)風(fēng)速極端風(fēng)兩種風(fēng)速情況進(jìn)行，根據(jù)施工設(shè)計(jì)要求，在極端風(fēng)時(shí)主拱肋兩側(cè)張拉抗風(fēng)索。因此，按下列四種工況進(jìn)行：
（l）6級(jí)風(fēng)（相應(yīng)于橋面風(fēng)速V＝17m／s）作用下，拱肋兩側(cè)未張拉抗風(fēng)索，上轉(zhuǎn)盤(pán)底部摩擦力足以提供平轉(zhuǎn)嵌固作用。
（2）6級(jí)風(fēng)（V＝17m／s）作用下，拱肋兩側(cè)張拉抗風(fēng)索，上轉(zhuǎn)盤(pán)底部同樣由摩擦力提供平轉(zhuǎn)嵌固作用。
（3）施工設(shè)計(jì)風(fēng)速（V＝35.4m／s排用下，拱肋兩側(cè)抗風(fēng)索完全張拉，轉(zhuǎn)盤(pán)處設(shè)置平轉(zhuǎn)止轉(zhuǎn)裝置，且正常工作，故上轉(zhuǎn)盤(pán)底部為嵌固。
（4）施工設(shè)計(jì)風(fēng)速（V＝35.4m／s排用下，拱肋兩側(cè)抗風(fēng)索完全張拉，假定止轉(zhuǎn)裝置失效，上轉(zhuǎn)盤(pán)底部?jī)H由動(dòng)摩擦力（摩擦系數(shù)取0.04）提供平轉(zhuǎn)抵抗力矩。
分別按工況1、工況2、工況 3和工況4計(jì)算出由風(fēng)載引起的抗風(fēng)索張力和控制截面的內(nèi)力。計(jì)算表明，在工況2、工況3時(shí)拱肋抗風(fēng)索張力較小，而在工況4且風(fēng)速非對(duì)稱(chēng)條件下（情況二），長(zhǎng)抗風(fēng)索的張力為1287kN，短抗風(fēng)索的張力為645kN。很顯然，工況4時(shí)的抗風(fēng)索張力與預(yù)緊力之和已大于抗風(fēng)索的承載能力，而此時(shí)由轉(zhuǎn)盤(pán)底部摩擦力提供的力矩難以抵抗風(fēng)致平轉(zhuǎn)力矩，這對(duì)結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性是十分不利的。這也說(shuō)明，在轉(zhuǎn)盤(pán)處設(shè)置止轉(zhuǎn)裝置是必要的。
表3給出了工況1、工況太工況3在均勻風(fēng)速作用下控制截面的軸力。由于非對(duì)稱(chēng)風(fēng)速情況下的內(nèi)力均較均布風(fēng)速情況下小，故未列出。而工況4，由于此時(shí)已無(wú)法約束結(jié)構(gòu)整體平轉(zhuǎn)，其內(nèi)力計(jì)算已失去意義。
由表3可見(jiàn)，在6級(jí)風(fēng)作用下，設(shè)與不設(shè)拱肋抗風(fēng)索對(duì)結(jié)構(gòu)危險(xiǎn)截面的內(nèi)力影響很小。對(duì)于止轉(zhuǎn)裝置工作的工況3，結(jié)構(gòu)控制截面的內(nèi)力也不大。
另外，應(yīng)注意到拱助抗風(fēng)索的張力的豎向分力會(huì)產(chǎn)生順橋向的附加傾覆力矩，為了提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，建議施工單位，如果在平轉(zhuǎn)過(guò)程中遇到強(qiáng)風(fēng)，而此時(shí)邊跨尚無(wú)支架支撐，應(yīng)在邊跨、主跨兩邊同時(shí)設(shè)置抗風(fēng)索。
四、結(jié)論
通過(guò)前述的風(fēng)洞試驗(yàn)及計(jì)算分析研究，可以得出如下結(jié)論：
(1)丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，在施工設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)不會(huì)發(fā)生風(fēng)致傾覆問(wèn)題。
（2）結(jié)構(gòu)風(fēng)致響應(yīng)內(nèi)力計(jì)算結(jié)構(gòu)表明，丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工過(guò)程中，在設(shè)計(jì)風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)致內(nèi)力較小，不會(huì)出現(xiàn)風(fēng)致強(qiáng)度破壞的情況。
（3）為了提高丫髻沙大橋在轉(zhuǎn)體施工中的穩(wěn)定性，建議在轉(zhuǎn)盤(pán)處設(shè)置止轉(zhuǎn)裝置，以防在施工過(guò)程中遭遇意外強(qiáng)風(fēng)襲擊而發(fā)生風(fēng)致轉(zhuǎn)動(dòng)。
參考文獻(xiàn)
【1】公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)指南．北京：人民交通出版社， 1996
