三塔雙跨疊合梁斜拉橋抗風性能研究

胡 濤

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引言

隨著我國經濟水平的提高和橋梁建造技術的進步，大跨橋梁不斷涌現，如甌江北口大橋、泰州長江公路大橋等大跨懸索橋[1，2]，蘇通大橋、上海長江大橋和岳陽洞庭湖大橋等大跨斜拉橋[3-5]。隨著跨度不斷加大，橋梁結構越來越柔，對風的作用越來越敏感，如美國舊塔科馬大橋顫振風毀事故[6]、日本東京灣大橋大振幅渦激振動現象[7]，所以進行大跨度橋梁設計時，需重點關注其抗風性能。

由于斜拉橋具有跨度大、造型優美、施工方便等優點，在橋梁設計中被廣泛應用。與混凝土梁相比，疊合梁具有自重較輕、吊裝方便的優點。另外，疊合梁能較好地利用混凝土材料的抗壓能力，具有良好的受力性能，可提升橋塔附近加勁梁抗壓性能。但是，由于疊合梁斷面為典型的半開口鈍體，抗扭剛度較低，對流場作用敏感，易出現氣動不穩定現象，所以在設計疊合梁斜拉橋時，風致振動的控制應成為關鍵性問題。

胡峰強等[8]對獨塔流線箱形主梁斜拉橋的抗風性能進行了研究，風洞試驗結果表明，該主梁斷面橋型具有良好的抗風性能。羅兵[9]研究了獨塔斜拉橋在不同橋塔方案下橋塔馳振和渦激振動性能。段青松等[10]研究了人行道欄桿對雙塔單跨疊合梁斜拉橋渦激振動性能的影響。戰慶亮等[11]研究了風嘴、下穩定板和挑梁等氣動措施對雙塔和獨塔疊合梁斜拉橋抗風性能的影響。但是，目前少有文獻對三塔雙跨疊合梁斜拉橋抗風性能進行研究。本文以某在建三塔雙跨鋼混疊合梁斜拉橋為研究背景，通過數值模擬計算和節段模型風洞試驗研究了其顫振穩定性和渦激振動性能，研究結果可為設計三塔雙跨疊合梁斜拉橋提供參考。

1 工程概況與橋址區風特性

該三塔雙跨鋼混疊合梁斜拉橋跨徑布置為45 m+120 m+2×400 m+120 m+45 m，兩側分別設置一個輔助墩和過渡墩，整體布置如圖1所示。3號塔高約160 m，4號塔和5號塔高約180 m。主梁寬32 m，高3.0 m，其中邊跨51 m范圍內為混凝土梁，其余梁段為工字鋼混凝土疊合梁，主梁橫截面如圖2所示。

圖1 橋梁整體布置圖（單位：m）

圖2 主梁橫截面（單位：cm）

橋梁工程區位于低層建筑稀少地區，海拔高度為340.8 m，地表類型取為B類[12]，地表粗糙度取0.16，100 a重現期10 min年平均最大風速U10=24.3 m/s。主梁基準高度均值d=65.85 m，風速沿高度變化修正系數K1B=1.0×（d/10）0.16=1.352，故主梁高程處設計基準風速Ud=K1B×U10=32.7 m/s。

主梁顫振檢驗風速[Ucr]=1.2×μf×Ud，其中，μf為考慮風的脈動特性以及空間相關特性影響的修正系數，根據該橋跨度和地表粗糙度類別取為1.29，故成橋狀態主梁顫振檢驗風速[Ucr]=1.2×μf×Ud=50.6 m/s。對于施工階段，取重現期為10 a，相應的風速折減系數為0.84[3]。該橋各階段風速標準見表1。

表1 風速標準 m/s

2 橋梁動力特性計算

橋梁動力特性主要關注結構的整體行為，為提高計算效率，本研究對實際模型進行了適當簡化，采用單主梁形式的有限元模型。其中，主梁、橋塔和橋墩均采用梁單元BEAM4模擬，斜拉索用桿單元LINK8模擬，二期荷載質量用質量點單元MASS21模擬，主梁和斜拉索之間采用剛臂連接。

本文對該橋成橋狀態和施工過程中最大雙懸臂施工狀態兩種工況進行了動力特性計算，其中最大雙懸臂施工狀態為以4號塔處為起點向兩側對稱懸臂拼裝至合攏處。橋梁動力特性見表2。

表2 動力特性

3 節段模型風洞試驗

節段模型風洞試驗在西南交通大學XNJD-1工業風洞第二試驗段中進行，該試驗段設有測試節段模型風致振動的試驗裝置。橋梁節段模型縮尺比為1∶45，按幾何縮尺比嚴格模擬主梁的幾何外形，并在模型兩端設置端板，以保證加主梁斷面氣動繞流的二維特性。制作完成的模型由8根拉伸彈簧懸掛在支架上，形成可豎向運動和繞模型軸線轉動的二自由度振動系統。圖3為成橋狀態和最大雙懸臂施工狀態模型安裝示意圖。

圖3 風洞試驗節段模型

3.1 顫振穩定性試驗

風洞試驗測試了在 -5°、-3°、0°、+3°和+5°風攻角下的顫振穩定性。試驗結果表明，在成橋狀態對應實橋風速為72.42～87.29 m/s和最大雙懸臂施工狀態對應實橋風速為66.48～83.00 m/s時（見表3和表4），主梁均未發生顫振發散現象，此時風速已經高于顫振檢驗風速較多，可知橋梁結構具有良好的顫振穩定性。

3.2 渦激振動試驗

根據文獻[12]，渦激振動豎向振幅允許值為：

表3 成橋狀態顫振風速檢驗

表4 最大雙懸臂施工狀態顫振風速檢驗

扭轉振幅允許值為：

渦激振動振幅允許值見表5。

表5 渦激振動振幅允許值

渦激振動試驗進行了在-5°、-3°、0°、+3°和+5°風攻角下主梁的渦激振動響應，試驗在均勻流場中進行，試驗風速對應實橋風速0～40 m/s，控制風速步長對應實橋風速0.12～0.60 m/s。圖4和圖5給出了成橋狀態和最大雙懸臂施工狀態下主梁斷面在不同風攻角下渦激振動豎向振幅與扭轉振幅，其中振幅簡化為相對于規范允許值的無量綱參數。

圖4 成橋狀態主梁渦激振動響應

圖5 最大雙懸臂施工狀態主梁渦激振動響應

渦激振動試驗結果表明，成橋狀態出現了較為明顯的渦激振動現象，其中，當風速小于28 m/s時，豎向振幅和扭轉振幅未超過規范允許值，當風速為28～34 m/s時，+5°和+3°風攻角下豎向幅值的最大值超過了規范允許值約50%，-5°和-3°風攻角下扭轉幅值的最大值超過了規范允許值約50%，但成橋狀態設計基準風速為32.7 m/s，重現期為100 a，大橋的設計基準期也為100 a，二者一致，其保證概率為99%，即在設計基準期內，風速不超過設計基準風速的概率為99%，超過設計基準風速的概率為1%[12]，故風速達到28～34 m/s的概率也較低，不會對橋梁安全和使用性能造成明顯影響。去掉了人行道欄桿、防撞欄和鋪裝等附屬設施和二期荷載后，最大雙懸臂施工狀態的渦激振動幅值遠低于規范允許值，具有良好的渦激振動性能。總體來說，該三塔雙跨疊合梁斜拉橋具有較好的渦激振動性能。

4 結論

（1）該三塔疊合梁斜拉橋成橋狀態設計基準風速為32.7 m/s，顫振檢驗風速為50.6 m/s，施工狀態設計基準風速為27.5 m/s，顫振檢驗風速為42.5 m/s。

（2）成橋狀態豎彎基頻為0.213 4 Hz，扭轉基頻為0.802 9 Hz。最大雙懸臂施工狀態豎彎基頻為0.163 5 Hz，扭轉基頻為 0.904 5 Hz。

（3）風洞試驗結果表明，該三塔雙跨疊合梁斜拉橋成橋狀態和最大雙懸臂施工狀態結構不同風攻角下的顫振臨界風速均遠大于相應的顫振檢驗風速，表明結構具有良好的顫振穩定性。

（4）風洞試驗結果表明，成橋狀態時，該三塔疊合梁斜拉橋會出現渦激振動現象，有相應的渦激振動區，低風速渦激振動區的渦激振動幅值未超過規范允許值，高風速渦激振動區最大渦激振動幅值超過規范允許值約50%，但其發生概率很低，不會對橋梁安全和使用性能造成顯著影響，但應引起重視。最大雙懸臂施工狀態時，渦激振動響應遠低于規范允許值，具有良好的渦激振動性能。