單索面大跨懸索橋渦激振動風洞試驗及其氣動優化

2018-09-14 00:16:54馬躍騰

四川建筑 2018年4期

馬躍騰

(南寧市富申建設投資有限責任公司，廣西南寧 530299)

1 概述

單索面懸索橋由于造型美觀，結構新穎，在城市跨江橋梁上得到越來越廣泛的應用。但這類橋梁由于扭轉剛度小、阻尼低，是風致振動的敏感結構，而市政橋梁斷面往往設置了較高的人行道，使得橋梁斷面抗風性能惡化，更容易在風的作用發生較大振幅的渦激振動和導致橋梁破壞的顫振。

本文以南寧市某座大跨單索面懸索橋為研究對象，通過風洞試驗，研究了該橋的抗風性能。該橋主橋橋型采用單主纜懸索橋,跨度組合為45 m+410 m+45 m，橋塔為鋼混組合，主梁為鋼箱梁，如圖1所示。大橋的抗風設計取100 a重現期，橋面距離水面的高度為32 m，該橋主梁高度處設計基本風速為30.1 m/s。

(a) 立面

(b) 橋梁縱斷面

圖1 橋型布置

2 主梁節段模型渦激振動試驗及氣動外形優化

2.1 風洞試驗模型

本文主要利用節段模型風洞試驗進行研究，模型縮尺比為1∶50，模型長L=2.095m，寬B=0.76m，高H=0.07m，寬高比L/B=2.86。為控制模型的質量及質量慣矩，并保證模型自身具有足夠剛度，模型采用優質木材及塑料板制作。橋面防撞護欄、墊石、扶手欄桿、檢修軌道等附屬構件均采用工程塑料由數控雕刻機制作而成。試驗在西南交通大學XNJD-1工業風洞第二試驗段中進行，該試驗段設有專門進行橋梁節段模型動力試驗的裝置。渦振試驗所采用的模型與顫振試驗相同。節段模型由8根拉伸彈簧懸掛在支架上(圖2)。由于渦激共振的發生不依賴于彎扭耦合機制，因而對模型系統無扭彎頻率比的要求。鑒于渦振通常發振風速較低，為降低模型風速比，采用剛度較大的彈簧以提高模型的自振頻率。試驗中模擬了成橋狀態和100 %吊裝施工狀態。試驗阻尼比分別按0.3 %和0.5 %設置，如表1所示。

圖2 動力節段模型照片

表1 動力模型試驗參數

根據《公路橋梁抗風設計規范》，成橋狀態一階對稱豎彎、扭轉渦激共振的振幅容許值分別為：

豎向[ha]=0.04/fh=0.04/0.2887=0.137m

扭轉[θα]=4.56/fαB=4.56/(0.6609×38)=0.182°

2.2 原設計方案渦激振動試驗結果

圖3為試驗時成橋狀態主梁斷面圖，圖4為原方案的豎向及扭轉風致振動曲線，試驗選取阻尼比為0.3 %。試驗結果顯示，在成橋狀態下，-5°及-3°攻角未發現明顯的渦激振動；0°、+3°及+5°攻角均發現了明顯的豎向以及扭轉渦激振動現象，其中+3°及+5°攻角情況渦激共振現象較為嚴重，且遠遠超出了規范要求值。

圖3 原設計橋梁斷面

但是，該橋的試驗結果表明，當風速小于20 m/s和25 m/s時，有四個模態可能出現較大振幅的豎向渦激振動。在16 m/s風速左右，第一扭轉振型出現扭轉渦激振動。+3°攻角情況下，出現了第二扭轉渦振區，風速為32～35 m/s出現第二個扭轉渦振區。

根據英國BS5400規定，當渦激振動的風速大于20 m/s時，抖振振幅大于渦激振動，因此不再考慮大于20 m/s時渦激振動的振幅。另外，根據我國橋梁通行的有關規定，當風速大于25 m/s時，橋梁限制通行，因此不會造成影響。因此，本橋關注的重點是小于25 m/s出現渦激振動的情況。從圖可以看出，該橋的渦振性能均不滿足要求，必須根據該橋的具體情況，通過風洞實驗，對該橋的主梁斷面形式進行氣動優化，以消除潛在的渦激振動的危險。