斜拉橋Π型開口斷面主梁氣動選型風洞試驗

董 銳，楊詠昕，葛耀君

(同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，200092上海)

型鋼－混凝土結合梁具有重量輕，構造簡單，受力合理，制作、施工和養護方便，造價相對較低等優點，被許多斜拉橋工程所采用［1］，如加拿大的Annacis橋，我國的南浦大橋、楊浦大橋等.結合梁大多采用開口Π型鈍體斷面，開口斷面的使用降低了主梁的扭轉剛度，與流線型鋼箱梁相比，其空氣動力學性能相對較差，容易出現風致振動問題.在開口Π型結合梁斜拉橋的設計階段，有必要對其抗風穩定性能進行研究和評估.目前，橋梁抗風研究主要采用理論分析、風洞試驗和CFD數值模擬3種方法［2］.由于鈍體斷面擾流問題的復雜性，目前理論分析和CFD數值模擬很難得到令人信服的結果，還必須依賴風洞模型試驗對其抗風穩定性進行研究.本文以某斜拉橋［3］為工程背景，對3種不同的Π型開口主梁斷面進行風洞試驗，并在此基礎上進行了氣動選型，得到了一些有益結論.

該橋為一雙塔雙索面斜拉橋，跨徑組合為60+125+300+125+60=670 m，整體布置見圖1.主梁采用I型鋼與混凝土橋面板結合形成的Π型組合斷面，其主結構寬18.900 m，中心梁高2.905 m;橋塔采用鉆石型混凝土橋塔，塔高約91 m;橋塔和主梁通過(2×13)×4=104根斜拉索相連，塔上索距1.5 m，主梁上索距10.5 m.該斜拉橋設計中提出了3種主梁斷面(標準主梁斷面見圖2)，分別是無導流板斷面，導流板一斷面和導流板二斷面，見圖3.針對上述3種斷面，進行了節段模型顫振和渦激共振風洞試驗，在綜合評價其抗風性能的基礎上優選出氣動性能最好的斷面.考慮到紊流場的復雜性，本項研究沒有進行抖振試驗.

圖1 斜拉橋結構布置(mm)

圖2 標準主梁斷面(mm)

圖3 主梁導流板(mm)

1 結構建模與動力特性分析

采用ANSYS建立斜拉橋結構有限元計算模型，見圖4.其中，I型鋼主梁、次梁、鋼橫梁、混凝土橋塔、混凝土輔助墩、混凝土過渡墩和承臺采用空間梁單元Beam 188模擬;混凝土橋面板采用空間殼單元Shell 63模擬;斜拉索采用經過Ernst公式修正的桿單元Link 10模擬;橋塔和橋墩的群樁基礎采用空間彈簧單元Combine 14模擬，對于每個群樁基礎采用3個力彈簧單元和3個力矩彈簧單元分別模擬群樁基礎沿豎向、沿順橋向、沿橫橋向、繞豎向、繞順橋向和繞橫橋向的作用;主梁的二期恒載采用Mass 21單元模擬.有限元計算模型的總體坐標系以順橋向為X軸，橫橋向為Z軸，豎向為Y軸.

最大雙懸臂階段、最大單懸臂階段和成橋階段橋梁結構的一階模態分別見圖5～7(圖中S:symmetric，對稱;A:asymmetric，反對稱;V:vertical，豎彎;L:lateral，側彎;T:torsional，扭轉).分析發現，由于在最大雙懸臂階段采用臨時約束加強主梁與橋塔的連接，使得橋梁結構的基頻明顯高于最大單懸臂階段，從工程抗風的角度考慮，選擇結構剛度明顯較小的最大單懸臂階段作為最不利施工狀態(以下簡稱施工狀態).

圖4 斜拉橋結構有限元模型

圖5 斜拉橋結構最大雙懸臂狀態一階模態

圖6 斜拉橋結構最大單懸臂狀態一階模態

圖7 斜拉橋結構成橋狀態一階模態

2 主梁顫振性能比選

主梁節段模型風洞試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室TJ-1大氣邊界層風洞中進行.該風洞為一直流式大氣邊界層風洞，試驗段寬1.8m，高1.8m，長12m，風速范圍1.0～30.0m/s連續可調.風洞中流場性能良好，試驗區流場的速度不均勻性小于1%、湍流度小于0.5%、平均氣流偏角小于0.5°，滿足節段模型試驗要求.風洞試驗采用二元剛體節段模型，節段模型通過8根彈簧懸掛在內支架上.風洞試驗中，彈簧懸掛二元剛體節段模型除了滿足幾何外形相似外，原則上還應該滿足以下3組無量綱參數［1，4］相似.

阻尼參數:ζb，ζt(阻尼比).

式中:U為平均風速;ωb，ωt分別為彎曲和扭轉振動固有圓頻率;B為橋寬，b為半橋寬;m，Jm為單位橋長的質量和質量慣性矩;ρ為空氣密度;r為慣性半徑;ζb，ζt分別為豎向彎曲和扭轉振動的阻尼比.考慮到斜拉橋規模和TJ-1風洞尺寸，節段模型采用1∶35的縮尺比.節段模型在風洞中的布置見圖8.

該橋地表粗糙度類型為A類，成橋階段的設計基準風速為37.7m/s，成橋和施工狀態下的顫振臨界風速［4］見表1.主梁節段模型顫振風洞試驗共完成了18個試驗工況，包括主梁成橋和施工兩個階段，導流板一、導流板二和無導流板3種斷面，－3°、0°和+3°三種風攻角.所有試驗工況均在10‰結構阻尼比［4］條件下的均勻流場中完成，橋梁結構不同斷面不同風攻角的顫振臨界風速見表1.對于不帶導流板的斷面，其顫振穩定性不滿足規范要求;導流板一和導流板二斷面的顫振穩定性能滿足規范要求，且導流板二斷面優于導流板一斷面.如果僅考慮顫振穩定性能，應該優先采用帶導流板二的主梁斷面.

圖8 斜拉橋節段模型

表1 橋梁結構顫振臨界風速 m·s-1

3 主梁渦激共振性能比選

主梁節段模型渦振風洞試驗共完成了30個試驗工況，包括成橋和施工兩個階段，導流板一、導流板二和無導流板三種斷面，5°、－3°、0°，+3°和+5°五種風攻角.所有試驗工況均在10‰阻尼比條件下的均勻流場中進行.根據《公路橋梁抗風設計規范》，斜拉橋發生渦振時的扭轉和豎彎振幅應該控制在一定的范圍內，對于在均勻流場中渦振振幅超限的幾種情況，本研究又進行了5%紊流場中的補充試驗.

成橋狀態，在26個工況下觀測到明顯的豎彎/扭轉渦激共振現象，見表2.其中在5°風攻角成橋導流板一、導流板二和無導流板3種工況下的豎彎渦激振動的振幅超過規范允許值;成橋導流板一 －5°風攻角，成橋導流板二 －5°、－3°、0°和+3°風攻角，成橋無導流板－5°風攻角下的扭轉渦激共振振幅超過規范允許值.對于成橋狀態渦激共振振幅超限的9種工況，又進行了10‰阻尼比5%紊流場下的渦振試驗，除成橋狀態導流板二－5°風攻角下發現扭轉渦振外，其余工況均無渦振現象，且紊流場中各工況的振幅均不超限.成橋狀態均勻流場中各工況的渦振幅值－風速曲線見圖9.

表2 成橋狀態渦激共振特征參數表

圖9 斜拉橋成橋狀態節段模型渦振位移-風速曲線

施工狀態，在11個工況下觀測到明顯的豎彎/扭轉渦激共振現象，見表3.其中在5°風攻角施工導流板一和導流板二兩種工況下的豎彎渦激振動的振幅超過規范允許值.對于施工狀態渦激共振振幅超限的2種工況，也進行了10‰阻尼比5%紊流場下的渦振試驗，均無渦振現象，且紊流場中各工況的振幅均不超限.考慮到施工階段屬于臨時期，渦振性能的比選以成橋階段為主，限于篇幅此處不再給出施工階段的渦振幅值－風速曲線.

對于斜拉橋的渦振穩定性，在均勻流場10‰阻尼比條件下，均存在不同程度的渦振振幅超限情況;施加紊流度為5%的紊流場后，除導流板二－5°攻角工況外均無渦振現象，且所有工況的振幅均滿足規范要求;可見，紊流的加入有效地抑制了渦激共振的發生.由于無導流板斷面的顫振性能不滿足規范要求，此處不再考慮其與其他兩種斷面渦振性能的比較.通過表1和表2可以發現，導流板一斷面的渦振性能要優于導流板二斷面，如果僅從渦振穩定性考慮，應該優先選用帶導流板一的主梁斷面.

表3 施工階段渦激共振特征參數表

4 結論

大跨度斜拉橋屬于柔性風敏感結構，風致振動現象明顯，顫振和渦振是其中最重要的兩種風致振動災害.本文以某斜拉橋為工程背景，通過一系列節段模型風洞試驗對3種開口Π型主梁斷面進行了顫振和渦振性能的氣動選型，得到以下結論:

1)顫振試驗結果表明，無導流板的斷面不滿足規范要求，導流板一斷面和導流板二斷面的顫振性能均滿足規范要求，且導流板二斷面優于導流板一斷面;如果僅考慮顫振穩定性能，應該優先選用導流板二斷面;

2)渦激振動試驗結果表明，在均勻流場中，3種斷面均存在不同程度的渦激共振現象.對于渦振振幅超限的工況，又進行了5%紊流場中的補充試驗，結果表明紊流的存在抑制了漩渦的規律性脫落，使得渦激振動發生的幾率和渦振振幅明顯減小，且均滿足規范要求.比較導流板一斷面和導流板二斷面的位移－風速曲線可以發現，導流板一斷面的渦振性能要優于導流板二斷面，如果僅考慮渦振穩定性能，應該優先選用導流板一斷面;

3)顫振是發散性的自激振動，在橋梁的設計使用壽命內應該嚴格避免;渦激振動是限幅振動，在橋梁的設計使用壽命內其幅值應限制在規范允許的范圍內.由于自然界的風屬于紊流風場，紊流成分明顯抑制了漩渦的規律性脫落，故渦激振動在自然界風場中發生的幾率要小于風洞試驗中的均勻流場;

4)外形對主梁顫振和渦振性能的影響有時存在不同，在結構的氣動選型時，應該對兩者進行綜合考慮.當顫振和渦振試驗均滿足規范要求的情況下，如果顫振性能安全儲備的富余量不大，應該優先選用顫振性能較好的斷面，如果顫振性能安全儲備的富余量較大，可優先選用渦振性能較好的斷面.對于本文中的案例，因顫振性能安全儲備的富余量不是很大，故應優先選用顫振性能較好的導流板二斷面.

［1］宋錦忠，哈鴻，毛鴻銀.開口主梁斷面的氣動選型［C］//第五屆全國風工程及工業空氣動力學學術會議論文集.張家界:中國空氣動力學會風工程和工業空氣動力學專業委員會，1998:240－245.

［2］項海帆，葛耀君，朱樂東，等.現代橋梁抗風理論與實踐［M］.北京:人民交通出版社，2005.

［3］ YANG Yongxin，DONG Rui.Wind tunnel study on wind-resistant performance of Co Chien cable-stayed bridge in Vietnam(Research Report)［R］.Shanghai:State Key Laboratory for Disaster Reduction in Civil Engineering，Tongji University，2011.

［4］中華人民共和國交通部.JTG/T D60—01—2004公路橋梁抗風設計規范［S］.北京:人民交通出版社，2004.