斜拱塔施工狀態抗風性能試驗研究

徐治芹

(中國市政工程華北設計研究總院，天津市 300074)

斜拱塔施工狀態抗風性能試驗研究

徐治芹

(中國市政工程華北設計研究總院，天津市 300074)

蘇揚公路2號橋橋塔采用了先進的無支架安裝技術，施工期間橋塔自重及施工荷載靠自身承受，安全系數較傳統的支架工法有所降低，橋塔易受到風荷載的影響。為了保證橋塔在施工期間的安全，必須進行必要的橋塔施工狀態抗風性能試驗研究。在計算橋塔自立狀態動力特性的基礎上，進行了橋塔施工狀態氣動彈性模型風洞試驗，為橋塔的施工提供了安全保障，對同類工程有重要的借鑒意義。

橋塔;施工狀態;抗風性能;風洞試驗

1 概述［1-3］

斜拉橋設計時必須考慮抗風穩定性，尤其是處于施工狀態的橋塔，由于沒有斜拉索的錨固作用，更容易受到風荷載的影響。除了常規的風荷載靜力作用外，還必須考慮空氣動力穩定性問題。由于橋塔是復雜的三維非流線型鈍體結構，加之橋梁的氣動彈性效應影響，僅靠理論分析難以滿足橋塔抗風設計的需要，借助模型風洞試驗成為研究橋塔抗風性能的必然選擇。

蘇揚公路2號橋位于鄂爾多斯市鐵西三期開發區，是一座超寬橋面卵形斜塔組合梁特種斜拉橋。主塔為全鋼結構，軸線為圓曲線，塔平面與豎直方向夾角為15°。主塔總重量為1 600 t，總高度為70 m，主墩以上高67.6 m，主塔沿橋梁縱向傾斜15°。主塔雙腿沿曲線向上在塔頂部匯聚成整體，沿順橋向主塔呈獻魚形。主塔雙腿及頂部均為箱型斷面，鋼塔底部與主墩固結成整體，見圖1、圖2。

橋塔安裝使用了國內首創的無支架安裝技術，相比于傳統的支架工法，節約了大量資金及工期。但整個施工過程中，橋塔自重及施工荷載僅靠自身承受。相比于傳統的支架工法，安全系數有所降低，橋塔也更容易受到風載的影響，特別是地處于多風的鄂爾多斯地區。為確保橋塔施工狀態的安全，對自立狀態的橋塔進行風洞試驗和分析，研究橋塔的抗風性能，是非常必要的。

該橋于2009年10月開工建設，2011年6月建成通車。

圖2 成橋照片

2 橋位邊界層風特性參數

2.1 設計基本風速

根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01-2004)，內蒙東勝地區的基本風速，即離地面10 m高度處百年一遇10 min平均年最大風速為Vs10=33.7 m/s。

2.2 設計基準風速

蘇揚公路2號橋周邊屬于B類地表，橋塔構件基準高度處的設計基準風速按式(1)計算:

式中:Z表示離開水面的高度;Z10表示標準高度，即Z10=10 m;Vs10橋址處的設計風速;α表示地表粗糙度系數，取α=0.16。

根據式(1)計算出橋塔設計基準風速為43.9 m/s。

對于施工階段，重現期按10 a考慮，根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01-2004)給出的重現期系數η取值為0.84，則其施工階段的設計基準風速為:

2.3 馳振檢驗風速

根據《公路橋梁抗風設計規范》(JTG/T D60-01-2004)，橋塔自立狀態的馳振檢驗風速取1.2倍的設計基準風速，即:

3 橋塔自立狀態動力特性計算

結構動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎，為了進行風荷載作用下的結構全過程動力響應分析和橋塔氣彈模型風洞試驗，必須首先計算橋塔自立狀態下的動力特性。為此，采用通用有限元分析軟件對橋塔的動力特性進行分析。

3.1 有限元計算模型

橋塔為高70 m的卵形全鋼異型塔，塔柱采用矩形截面。塔柱和橫梁離散為空間梁單元，其中異型橫梁簡化為等截面橫梁加剛臂。自立狀態的有限元計算模型見圖3。

圖3 橋塔自立狀態有限元計算模型

3.2 動力特性計算結果

橋塔自立狀態自振頻率和振型描述見表1。

表1 橋塔自立狀態自振頻率和振型

4 橋塔氣動彈性模型設計［4-5］

4.1 相似性準則

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特性。一般說來，氣彈相似性包括結構的長度、密度和彈性的相似條件以及氣流的密度和粘性、速度和重力加速度等的相似條件。橋塔氣彈模型風洞試驗應盡量滿足這些相似性條件。

考慮到實驗室邊界層風洞的空間限制，以及盡可能模擬出橋塔結構的細部形狀，橋塔氣彈模型采用1:100的幾何縮尺比制作常剛度氣彈模型。常剛度模型主要用于觀測橋塔的馳振、渦振、抖振等風振現象，除了Reynolds數、Cauchy數以外，其余4個無量綱參數在該常剛度氣彈模型風洞試驗中得到了嚴格模擬。

4.2 橋塔氣彈模型設計

蘇揚公路2號橋橋塔氣彈模型依據圖紙和前述結構動力特性分析結果設計，見圖4。為了同時滿足以上無量綱參數的相似要求，氣彈模型設計主要從三方面進行模擬，即彈性剛度、幾何外形和質量系統。

圖4 橋塔氣彈模型

4.2.1 彈性剛度模擬

橋梁結構氣動彈性模型的剛度完全由模型骨架提供，選用普通A3鋼作為骨架用材。根據彎曲剛度和扭轉剛度的相似比要求，設計符合豎彎、側彎和扭轉剛度要求的凹形截面鋼骨架，鋼骨架的軸線與實際橋塔軸線一致，同時考慮剛域的影響。

4.2.2 幾何外形模擬

按照幾何相似比的要求，采用形狀相似的模型外衣模擬實際結構的外形。

4.2.3 質量系統模擬

根據質量系統相似比的要求，扣除鋼骨架和外衣所提供的實際質量和質量慣矩，采用鉛塊為配重來補充不足部分的質量，鉛塊對稱粘貼在外衣的內側并通過調節鉛塊位置來達到滿足質量慣矩相似比的要求。

5 大氣邊界層流場模擬

蘇揚公路2號橋橋塔氣動彈性模型風洞測振試驗在同濟大學土木工程防災國家重點實驗室邊界層風洞中進行。

本試驗分別在均勻流場和模擬大氣邊界層流場(也稱紊流場)中進行。風洞中大氣邊界層流場的模擬采用傳統的尖塔加粗糙元方法。

在邊界層風場的各參數中，主要參數可以分成兩類，一為平均風參數，另外則為紊流風參數。

5.1 平均風速

關于平均風參數，在風洞試驗過程中最為關注的就是平均風速沿高度的分布。在邊界層風場測試時，用熱線探頭在模型安裝位置沿高度處分別測量了設計基準風速時平均風速剖面，圖5給出了平均風速剖面。

圖5 模擬風場平均風速剖面

從圖5中可以看出，模擬風場的平均風速剖面指數α=0.16。

5.2 紊流度

同樣，也在模型安裝位置沿高度處分別測量了風場紊流度剖面，試驗實測結果見圖6。在抖振試驗中，來流的紊流度和風譜(也即脈動風中各個頻率分量)對試驗結果有著關鍵的影響。從圖6可見，模型區的紊流度有較好的分布規律，在0.65 H橋塔基準高度處的實測紊流度平均值約11%左右，達到了模擬值的要求。

圖6 模擬風場紊流度剖面

5.3 紊流功率譜密度

圖7為0.65 H橋塔基準高度處的模擬紊流場順風向脈動風功率譜。

圖7 模擬紊流風場0.65 H處脈動風譜

6 橋塔施工狀態氣動彈性模型風洞試驗

6.1 試驗工況

根據計算，橋塔施工完成未安裝斜拉索時(橋塔自立狀態)為最不利狀態，以此時的橋塔作為氣彈模擬風洞試驗的對象。橋塔自立狀態下一階橫橋向彎曲阻尼比為0.58%，一階順橋向彎曲阻尼比為0.42%，一階扭轉阻尼比為0.32%。

橋塔自立狀態氣彈模型分別進行兩種流場風洞試驗，即均勻流場和B類紊流場。在每個階段的每個流場試驗中，通過改變不同的偏角進行吹風試驗。每個風速采樣頻率為200 Hz，采樣時間為60 s。

最后采取了從塔頂向邊跨方向拉一根康銅絲錨固在地上，且康銅絲中間連接一個阻尼圈的措施，使一階順橋向彎曲阻尼比提高到0.88%，見圖8。采取該措施后，選擇了風偏角為0°、15°兩個典型試驗工況，進行不同阻尼渦振性能對比試驗。

圖8 帶附加阻尼措施的氣彈模型

風洞試驗共完成了兩種流場下共計20個試驗工況，見表2。

表2 試驗工況一覽表

6.2 測點布置和試驗模型

在主塔塔頂的中部和兩側以及橋塔0.65 H高度處分別設置了加速度信號測點。在每個測點上都進行了加速度測量。

6.3 主要試驗結果

設計基準風速Vsd=36.9 m/s下，均勻流和B類紊流場中橋塔塔頂、0.65 H處順橋向、橫橋向和扭轉的風振響應的最不利狀態見表3。

表3 橋塔風振響應的最不利狀態

提高一階順橋向彎曲阻尼比前后，渦振性能對比試驗結果(風偏角β=0°)，見圖9～圖11。

圖9 均勻流中減振前后順橋向位移對比(風偏角β=0°)

圖10 均勻流中減振前后橫橋向位移對比(風偏角β=0°)

圖11 均勻流中減振前后橫橋向位移對比(風偏角β=0°)

7 結論

通過對試驗結果的分析可以得出以下結論:

(1)橋塔處于自立狀態時，各個風偏角下沒有觀測到馳振等不穩定現象，抖振響應也比較小。

(2)在均勻流場、不同偏角的風振響應對比中，0°偏角為不利狀態。當阻尼比為0.42%、風速為35 m/s強風下，順橋向彎曲渦振振幅位移極值為11.6 cm，達H/580。因此，施工中出現0°偏角的強風時，要加強觀測，必要時停止施工，并采取有效減振措施。

(3)11%左右的紊流對渦振有明顯的抑制作用。處于自然風場中的橋塔發生較大振幅的渦激振動可能性很小。

(4)當采取增大阻尼的減振措施，即將順橋向彎曲振動阻尼比調高后，渦振得到明顯的抑制。因此，橋塔施工時設置臨時減振阻尼裝置，是應對強風下產生風振的有效措施。

橋塔自立狀態風洞試驗是針對蘇揚公路2號橋鋼拱塔施工狀態進行的，為橋塔的施工提供了安全保障，并得出了一些有益的結論，對同類工程具有重要的借鑒意義。

［1］ 中國市政工程華北設計研究總院.蘇揚公路2號橋施工圖設計［Z］.2009.

［2］ 同濟大學土木工程防災國家重點實驗室.蘇揚公路2號橋主橋抗風研究報告［R］.上海:同濟大學，2010.

［3］ JTG/T D60-1-2004，公路橋梁抗風設計規范［S］.

［4］ 喻梅，廖海黎，李明水，等.大跨度橋梁斜風作用下抖振響應現場實測及風洞試驗研究［J］.實驗流體力學，2013(6):51-55.

［5］ 白樺，劉健新，胡慶安.大跨度半拱式異形橋梁抗風性能研究［J］.鄭州大學學報(工學版)，2010(9):22-26.

U448.22

A

1009-7716(2015)04-0157-04

2014-12-12

徐治芹(1979-)，男，山東威海人，高級工程師，從事橋梁設計研究工作。