經驗交流:大跨橋梁的抗風對策(一)

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江陰長江大橋正式建成通車標志著中國有了第一座超千米的懸索橋,同時也成為世界上能夠建造千米級大橋的第六個國家。自從80年代初中國改革開放以來,中國已建成了一百余座各種類型的斜拉橋,成為世界上建造斜拉橋最多的國家。如果把即將于2001年建成的南京長江二橋和福州閩江大橋統(tǒng)計在內,在跨度超過500m的世界斜拉橋中中國的斜拉橋已占有十分重要的地位。1996年我國人民交通出版社出版了我國第一部由同濟大學和中交公路規(guī)劃設計院編寫的《公路橋梁抗風設計指南》,幾年來已被廣泛用于多座大路橋梁的抗風設計中。在此基礎上,受交通部的委托,同濟大學、中交公路規(guī)劃設計院、中央氣象研究院以及西安公路交通大學針對其中的幾個關鍵問題進行了專題研究,為形成最終的《公路橋梁抗風設計規(guī)范》奠定了基礎。本文將主要介紹該規(guī)范編制中的幾個主要問題,其中包括基本風速的確定、風荷載的表達方式、橋梁動力穩(wěn)定性檢驗和風洞試驗要求等。
    全國基本風速和風壓
    基本風速定義為橋梁所在地區(qū)的開闊平坦地貌條件下,地面以上10m高度處,100年重現(xiàn)期的10min平均年風速。
    本次規(guī)范編制,采用我國657個基本臺站1961年至1995年間自己記錄的風速資料,以極值I型分布曲線進行擬合,將基準高度從原來的20m高改為10m高,并考慮100年重現(xiàn)期,得到相應各氣象臺站百年一遇的風速值。鑒于目前我國有相當多的氣象臺站,由于近年來城市建設的快速發(fā)展,使得臺站環(huán)境不能滿足空曠無遮擋的要求,致使風速記錄明顯受人為因素的影響而偏小。本次研究,對其部分計算結果參照周圍臺站的情況予以適當?shù)男拚?。與此同時,參照國內其他的規(guī)范確定基本風壓的下限值100年一遇為0.35kN/m2,50年一遇為0.30kN/m2,10年一遇為0.20kN/m2,相應的基本風速下限分別為24m/s,22m/s和18m/s。全國基本風壓圖和風速圖有如下特點:
    1.東南沿海為我國大陸上的風壓區(qū)。風壓等值線大致與海岸平行,風壓從沿海向內陸遞減很快,到達離海岸50km處的風速約為海邊風速的75%,到100km處則僅為50%左右,這和造成這一地區(qū)大風的主要天氣系統(tǒng)--臺風有關。在這一區(qū)域內,大致有三個特大風壓帶,即湛江以南至海南沿海地區(qū)、廣東沿海地區(qū)以及浙江到福建省中部沿海地帶,百年一遇風壓在0.90kN/m2(38m/s)以上。由于臺灣島對臺風屏障作用,福建南部的風壓有所減弱。
    2.西北至華北北部和東北中部為我國大陸上風壓的次大區(qū)。這一地區(qū)的大風主要與西伯利亞寒流引起強冷空氣活動有關,等風壓線梯度由北向南遞減。
    3.青藏高原為風壓較大區(qū)。這一地區(qū)大風主要是因海拔高度較高所造成的。但該區(qū)空氣密度較小,因此,雖然風速很大,但所形成的風壓相對較小。
    4.云貴高原、長江中游以及南丘陵山區(qū)風壓較小,特別是在四川中部、貴州、湘西和鄂西為我國風壓最小的區(qū)域。大部分地區(qū)風壓在0.4kN/m2(25m/s)以下。
    5.臺灣、海南島和南海諸島的風壓各自獨立成區(qū),臺灣是我國風壓的地區(qū)。據分析,其東部沿海風壓可達175KN/m2(52m/s)以上;海南島的西、北、東部沿海風壓約為0.9kN/m2(40m/s)。西沙群島受南海臺風的影響,百年一遇風壓達1.80kN/m2(54m/s)。南海其余諸島的風壓略小于西沙。
    新版風壓分布圖在總體上沒有改變原全國風壓分布的總格局,有降低的,也有提高的,但應該說更趨合理.且此次計算臺站數(shù)大大超過以往任何一次的分析,資料年限一般均達到30~35年,代表了當前氣候背景值。
    對重要的大跨徑橋梁,宜設立臨時橋址風速觀測站,觀測時段不宜少于1年。由所獲得的短期風速資料推求年極值風速,并據此建立與附近氣象臺站的相關關系