塔吊對高柔橋塔風致振動響應的影響

錢幫虎

(天津城建設計院有限公司，天津 300122)

隨著橋梁跨度的增加，橋塔高度不斷增加。橋塔屬于典型的高柔結構，風荷載是主要荷載之一。在施工階段，橋塔由于沒有纜索的支撐作用，剛度相對較低，阻尼也較小，在風荷載作用下很容易發生渦激振動、馳振以及隨機抖振［1－3］。在橋塔設計階段，控制馳振發生風速大于馳振檢驗風速［4］，渦振和隨機抖振振幅控制在規范允許的范圍內［5－6］，以保證行車的舒適性和結構的安全性。雖然隨機抖振通常不會像顫振和馳振那樣引起災難性的破壞，但在施工期間過大的抖振響應可能危及施工人員和機械的安全，因此，對高柔橋塔的抖振問題不能忽視［3］。大多數橋塔自立狀態實驗只測試裸塔的風振響應［7］，本文研究塔吊對高柔橋塔風振響應的影響，通過測試均勻流場和B類紊流場中有無塔吊時的抖振位移，進行數據分析。

1 工程概況

本文研究的橋塔是某三塔四跨長江大橋的中塔。該橋主跨為850 m的疊合梁懸索橋，橋跨布置為(200+850+850+200)m，主梁梁高3 m，寬38 m。中塔高度152 m，橋面以上塔柱和上橫梁采用鋼結構，橋面以下塔柱和下橫梁采用混凝土結構。橋塔布置如圖1所示(圖中長度單位為cm)。

2 模型設計與制作

一般的門式橋塔由于順橋向剛度比較小，一階順橋向彎曲頻率低于一階橫橋向彎曲頻率。本文研究的橋塔接近門式橋塔，與門式橋塔的主要區別在于其上塔柱呈“人”字形，在下橫梁處分開且距離較大，增加了橋塔的順橋向剛度，從而使得橫橋向頻率低于順橋向頻率。橋塔順橋向和橫橋向的基頻見表1。表1給出了實際橋塔的頻率，模型的要求頻率、計算頻率和實測頻率以及模型的阻尼比。橋塔模型順橋向和橫橋向實測頻率與設計要求頻率之間的偏差均小于5%，橋塔模型順橋向和橫橋向阻尼比均小于規范規定的限值0.5%。其中實際橋塔頻率和模型計算頻率均采用ANSYS空間結構通用有限元分析軟件計算得到。

考慮到本文研究的橋梁要做全橋實驗，全橋中可以利用該橋塔，所以橋塔的幾何比例和全橋一樣(即λL=1/179)。在橋塔氣彈模型設計、制作中，不僅要模擬幾何尺寸和風場特性，而且還要模擬氣動彈性特性。一般說來，氣彈相似性包括結構的長度、彈性和密度的相似條件以及氣流的密度、速度、重力加速度和粘性等的相似條件，這些物理量可以用幾個無量綱參數來表示，如Reynolds數、Froude數、Strouhal數、Cauchy數、密度比和阻尼比等［8］。根據相似性要求得到主要的相似比如表2所示。

圖1 橋塔布置圖

表1 實際橋塔和模型的頻率以及模型的阻尼比

表2 主要相似比

3 試驗方案

根據橋址處風環境，在大氣邊界層風洞中用尖劈和粗糙元模擬B類地貌流場。采用激光位移計測試橋塔的位移，其中順橋向安裝4個激光位移計，分別裝于塔頂處(2個)和橋塔的設計基準風速高度處(即0.65H處，H為塔高)(2個)，橫橋向安裝2個激光位移計，分別裝于塔頂處(1個)和0.65H處(1個)，這樣可以同時測量橋塔順橋向和橫橋向的位移。通過轉動橋塔位置，測試橋塔在不同風偏角下的抖振位移隨風速的變化規律，其中橋塔順橋向和橫橋向的抖振位移均值隨風速的變化規律接近拋物線［2］。本文研究在不同風偏角下橋塔的抖振位移響應，為了便于比較，選擇的試驗風速是設計基準風速(36.3 m/s)。試驗中通過轉動模型來模擬10 種風偏角，風偏角分別為0°、5°、15°、30°、45°、60°、75°、85°和 90°，其中風偏角為來流風方向和橋塔平面之間的夾角。由于在0°風偏角下，橋塔橫橋向位移均值和順橋向位移方差較大，所以增加了5°風偏角的試驗工況;由于在90°風偏角下，橋塔順橋向位移均值和橫橋向位移方差較大，所以增加了85°風偏角的試驗工況。

4 橋塔風振響應分析

4.1 順橋向風振響應分析

圖2為橋塔塔頂處和0.65H處在設計基準風速下測試得到的順橋向位移隨風偏角的變化曲線，風速和位移響應均已換算成相應的實橋值。

圖2 順橋向位移均值和方差隨風偏角變化曲線

從圖2中可以看出:均勻流場和紊流場下塔頂處和0.65H處順橋向位移均值隨風偏角變化趨勢基本一樣，數值相差較小;在不同風偏角下，塔頂處順橋向最大位移均值發生在風偏角為90°處;在不同風偏角下，0.65H處順橋向最大位移均值發生在風偏角為60°處。在不同風偏角下塔頂處順橋向最大位移均值是0.65H處的4倍左右;在不同風偏角下，塔頂處有塔吊情況下最大位移均值比無塔吊時小，B類紊流場比均勻流場小，但數值相差很小，且在不同的風偏角下大小關系也不同;塔頂處和0.65H處順橋向位移方差都是均勻流場比B類紊流場大，有塔吊比無塔吊的數值大，這是由于紊流場中來流的脈動成分增加了結構的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了結構的抖振位移;均勻流場和紊流場下塔頂處順橋向位移方差比0.65H處小，這是由于塔頂處紊流度比0.65H處小，順橋向位移方差對紊流度變化較敏感;風偏角對塔頂處順橋向位移方差影響較大，而對0.65H處順橋向位移方差影響較小;塔頂處順橋向最大位移方差在風偏角為0°處，而此偏角下順橋向位移的均值最小。

4.2 橫橋向風振響應分析

圖3為橋塔塔頂處和0.65H處在設計基準風速下測試得到的橫橋向位移隨風偏角的變化曲線，風速和響應均已換算成相應的實橋值。

圖3 橫橋向位移均值和方差隨風偏角變化曲線

從圖3中可以看出:均勻流場和紊流場下塔頂處和0.65H處橫橋向位移均值隨風偏角變化趨勢基本一樣，數值相差較小;塔頂處橫橋向位移均值在風偏角為0°～60°較大，其中無塔吊時風偏角為30°時最大，有塔吊時風偏角為15°時最大，其中B類紊流場比均勻流場大;0.65H處橫橋向位移均值在風偏角為15°～60°較大，其中風偏角為45°時均勻流場和紊流場下橫橋向位移均值達到最大;在不同風偏角下，塔頂處橫橋向最大位移均值是0.65H處的3倍左右;在不同風偏角下，塔頂處順橋向最大位移均值與橫橋向很接近;塔頂處和0.65H處橫橋向位移方差在30°～90°范圍內較小，在不同風偏角下橫橋向最大位移方差和順橋向很接近;在不同風偏角下，B類紊流場中塔頂處橫橋向最大位移方差發生在風偏角為5°處，均勻流場中塔頂橫橋向最大位移方差發生在風偏角為15°處;在不同風偏角下，有塔吊時0.65H處橫橋向最大位移方差發生在風偏角為5°處，無塔吊時0.65H處橫橋向最大位移方差發生在風偏角為15°處;B類紊流場中塔頂處和0.65H處橫橋向位移方差都比均勻流場中大，有塔吊比無塔吊大，這是由于紊流場中來流的脈動成分增加了結構的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了結構的抖振位移。

5 結論

1)均勻流場和B類紊流場中有無塔吊情況下橋塔塔頂處和0.65H處順橋向位移和橫橋向位移均值隨風偏角變化趨勢基本一致，數值很接近，說明流場類型和塔吊對橋塔順橋向以及橫橋向位移均值的影響很小;塔頂處和0.65H處順橋向位移和橫橋向位移均值在不同風偏角下的最大值基本一致，其中在不同風偏角下塔頂處順橋向和橫橋向最大位移均值是0.65H處的3～4倍。

2)有塔吊時塔頂處和0.65H處順橋向以及橫橋向的位移方差都比無塔吊時大，紊流場比均勻流場大，這是由于紊流場中來流的脈動成分增加了結構的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了結構的抖振位移;在不同風偏角下塔頂和0.65H處順橋向最大位移和橫橋向最大位移方差基本一致，其中塔頂處順橋向和橫橋向位移方差比0.65H處的數值稍微大一些。

［1］Simiu E，Scanlan R H.Wind Effects on Structures:Fundamentals and Applications to Design［M］.3 rd.New York:John Wiley＆Sons Inc，1996.

［2］周奇，朱樂東，郭震山.斜風下典型橋塔抖振性能的比較［J］.東南大學學報:自然科學版，2009，39(增刊2):126 －132.

［3］胡慶安，喬云強，劉健新，等.斜風作用下橋塔施工階段抖振性能［J］.交通運輸工程學報，2008，8(2):40－43.

［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.

［5］康小英.橋塔獨塔施工階段抖振響應分析及制振控制的研究［D］.成都:西南交通大學，2002.

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