獨塔單索面大跨度斜拉橋風洞試驗研究

馬 耕

(福州市規劃設計研究院 福建福州 350003)

0 引言

非對稱式獨塔斜拉橋結構新穎、造型美觀，在橋梁工程尤其是城市橋梁中有著廣泛的應用。由于結構左右剛度不對稱，其動力特性與傳統對稱斜拉橋存在明顯不同，由此導致在隨機動力荷載下的響應也存在顯著區別。與傳統橋梁相似，隨著跨度增大，結構剛度減少，風荷載作用下的動力失穩問題日益突出。對于地處沿海地區的大跨度不對稱獨塔斜拉橋，強風作用下的動力穩定性必須在設計階段進行檢驗。本文以福鼎八尺門大橋為工程背景，對單索面不對稱大跨度獨塔斜拉橋的抗風穩定性進行了詳細的風洞試驗研究，得到了一些有益結論，可供其他類似工程參考。

1 工程概況

八尺門大橋[1-2]位于福鼎市沙埕港末端，地處我國東南沿海臺風多發地區，氣候條件復雜，受強風影響顯著。大橋主橋采用獨塔單索面混合梁斜拉橋非對稱布置，跨徑組合33+67+200=300m；主塔采用單柱式鋼筋混凝土橋塔，塔高103.70m，塔梁固結。獨塔斜拉橋整體布置如圖1所示。

根據跨徑不同，獨塔斜拉橋在主跨和邊跨采用了不同材料的主梁。其中，主跨采用閉口鋼箱梁主梁斷面，梁高3.5m，寬33m；邊跨主梁采用混凝土箱形梁斷面，外形與鋼箱梁相同。獨塔斜拉橋標準主梁斷面如圖2所示。

圖1 獨塔斜拉橋整體布置(單位：m)

(a)鋼主梁斷面

2 結構動力特性分析

結構動力特性分析是獨塔斜拉橋顫振和渦振風洞試驗研究的基礎，節段模型的設計建立在結構動力特性分析基礎之上。本文同時對獨塔斜拉橋成橋和施工兩種狀態下的結構動力特性進行了分析，其中最大單懸臂狀態為施工中的最不利情況(文中所指的施工狀態均指最大懸臂狀態)。采用離散結構的有限單元法建立獨塔斜拉橋有限元模型，如圖3所示。本文采用“魚骨式”單主梁計算模型，其中閉口鋼箱梁、混凝土箱梁、混凝土橋塔和橋墩采用空間梁單元Beam4模擬，主梁主要參數特性如表1所示；斜拉索采用經Ernst公式修正的空間索單元Link10模擬；主梁的二期恒載采用質量單元Mass21模擬。

經模態分析得獨塔斜拉橋主梁在成橋和施工兩種狀態下的一階模態如圖4所示。從圖4可以看出，大跨度獨塔斜拉橋的剛度較小，成橋和施工狀態的一階豎彎頻率僅為0.4766Hz和0.3660Hz，為典型的柔性結構。

(a)成橋狀態

(b)施工狀態圖3 獨塔斜拉橋有限元模型表1 獨塔斜拉橋主梁斷面參數

斷面類型面積(m2)側向轉動慣量IZZ(m4)豎向轉動慣量IYY(m4)扭轉慣量Jd (m4)鋼箱梁1.70132.7796120.305.63混凝土箱梁23.264535.38311598.7997.17

成橋豎彎 0.4766Hz 成橋扭轉 1.0853Hz 成橋側彎 1.6370Hz

施工豎彎 0.3660Hz 施工扭轉 0.7767Hz 施工側彎 0.5202Hz圖4 獨塔斜拉橋一階模態

3 顫振風洞試驗研究

顫振是大跨度橋梁容易發生的一種振動形式，屬于自激發散振動，在設計中必須嚴格避免[3-4]?；跇訔l假設，采用二維節段模型風洞試驗對獨塔斜拉橋主梁顫振性能進行研究[5]。顫振風洞試驗在同濟大學TJ-2大氣邊界層風洞中進行，該風洞為一閉口回流式大氣邊界層風洞，試驗段高2.5m，寬3m，長15m，風速范圍1～68m/s連續可調。根據TJ-2大氣邊界層風洞試驗段規模和風洞實驗要求，設計1∶60的標準主梁節段模型，進行了成橋和施工兩種狀態，-3°、0°和3°三種風攻角度共6種工況下主梁的顫振風洞實驗研究，主梁節段模型在TJ-2大氣邊界層風洞中的布置如圖5所示。

圖5 獨塔斜拉橋節段模型

顫振風洞試驗測試內容主要包括顫振臨界風速、阻尼-風速曲線和顫振導數等，試驗流場偏安全的取為均勻流場。其中阻尼-風速曲線、顫振導數主要用于后期結構抖振響應計算，此處不再給出。顫振臨界風速是評估結構顫振性能最直接的參數，獨塔斜拉橋主梁各工況下的顫振臨界風速和檢驗風速的對比如表2所示。其中顫振檢驗風速根據規范[6]按照式(1)計算得到：

Vcr=1.2μfVd

(1)

式中，Vd為橋面高度設計基準風速，其中成橋狀態按照100年重現期風速資料獲得，為39.2m/s；施工狀態按照10年重現期風速資料獲得,為32.8m/s。μf為考慮風速的脈動影響及水平相關特性的無量綱修正系數，按橋梁跨度經內插得μf=1.27。

表2 獨塔斜拉橋顫振檢驗風速

通過表2可以發現，獨塔斜拉橋主梁由于采用了抗風性能較好的流線型斷面，成橋和施工狀態下的顫振臨界風速均大于規范規定的檢驗值，符合設計要求。

4 渦振風洞試驗研究

渦振是橋梁結構在低風速時經常遇到的一種振動形式，通常情況下由漩渦脫落頻率與結構某階頻率相近時發生共振引起，是一種具有自激性質的限幅振動[3-4]。渦振雖然不會像顫振那樣引起結構的毀滅性破壞，但是由于渦振通常發生在低風速時，容易引起結構疲勞破壞和造成行人、行車安全和舒適問題。對于大跨度橋梁，必須在設計階段進行渦振性能檢驗。獨塔斜拉橋的渦振風洞試驗同樣在同濟大學TJ-2大氣邊界層風洞中進行，渦振試驗節段模型幾何縮尺比同樣采用1∶60。試驗測試內容主要包括觀察渦激振動現象、確定渦振鎖定風速區間和最大振幅。由于大氣中的紊流成分會抑制渦振的發生，所以主梁渦振風洞實驗在偏安全的均勻流場中進行。

獨塔斜拉橋主梁節段模型渦振風洞試驗進行了成橋和施工兩種狀態，-3°、0°和3°三種風攻角度共6種工況。獨塔斜拉橋主梁在各工況下的渦振風速區間和振幅峰值如表3所示。

表3 獨塔斜拉橋渦振風速區間及振幅峰值

通過表3可以發現，獨塔斜拉橋在施工階段無渦振現象發生；在成橋狀態+3°風攻角時渦振響應最明顯，其風速-振幅曲線如圖6所示，相應的豎彎和扭轉最大振幅分別為35.7mm和0.048°，但小于83.9mm和0.1273°的規范允許值，滿足設計要求。其中渦振振幅允許值根據規范[6]按照式(2)～(3)給出：

[θα]=4.56/Bft

(2)

[hα]=0.04/fb

(3)

式中，[θα]、[hα]分別為主梁渦振扭轉和豎彎振幅允許值；B為主梁寬度，為33m；ft、fb分別為扭轉和豎彎振動頻率，成橋狀態時分別為1.0853Hz和0.4766Hz；施工狀態時分別為0.7767Hz和0.3660Hz。

圖6 獨塔斜拉橋主梁成橋狀態3°風攻角時的風速-振幅曲線

5 結論

本文以主跨200 m的八尺門大橋為工程背景，對非對稱布置單索面大跨度獨塔斜拉橋的風致穩定性能進行了風洞試驗研究。結構動力特性分析表明，大跨度獨塔斜拉橋的剛度較小，為典型的柔性斜拉橋，其抗風穩定性必須在設計中加以考慮；節段模型風洞試驗表明，由于主梁采用了氣動性能較好的流線型斷面，其顫振和渦振穩定性均滿足規范要求。