云霧特大橋主橋抗風性能試驗研究

趙 凱，藍先林，周 瀟

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司，貴陽 550081)

風對橋梁結構的影響及破壞現象頻繁發生，如1986年塔科馬大橋發生顫振扭轉失穩，最后導致整個橋梁結構損壞。近年國內虎門大橋渦激振動引起了國內廣泛關注，風對橋梁結構的影響越來越受重視。而斜拉橋是一種剛度較小、體系較柔的索結構，在風荷載作用下易發生顫振、渦激振動、馳振和斜拉索振動等風致振動，特別是鋼混疊合梁斜拉橋的風致影響較為顯著[1-4]，為保證其抗風穩定性，國內外學者從橋梁結構特征[5-8]、風參數[9-13]、抑振措施[14-15]等方面進行過大量的研究。云霧特大橋橋塔高為236 m，橋址位于山區典型的“V”形峽谷，風環境條件十分復雜，為確保橋梁在施工和運營階段的抗風安全性和行車平順性，須通過靜風荷載響應分析、風洞節段模型試驗等研究橋梁的抗風性能。

1 工程概況

云霧特大橋位于都勻至香格里拉國家高速公路貴州境內都勻至安順高速公路T13合同段，為跨越老棉河而設。主橋采用 (215+480+215)m的鋼-混凝土疊合梁雙塔雙索面斜拉橋，半漂浮體系，全橋長1 720 m，其中安順岸主塔高為300 m，目前在同類型橋塔中居世界第一。橋型布置如圖1所示。

單位：cm

主梁寬度為30.3 m，采用雙邊主梁(焊接工字梁)斷面，由工字型鋼縱梁、橫梁、小縱梁組成平面梁格，并在其上鋪設混凝土橋面板，通過焊接在鋼梁上的剪力釘組成疊合梁體系。橋塔采用折H型構造，都勻岸橋塔高為281 m，安順岸橋塔高為300 m。斜拉索采用環氧涂層預應力鋼絞線，標準強度為 1 860 MPa，全橋共有152根。

2 有限元模型及自振特性

2.1 有限元模型

為研究云霧特大橋的動力特性，基于ANSYS建立三維空間有限元模型。采用BEAM188模擬主梁鋼縱梁、主梁橫梁、小縱梁、橋塔墩柱及墩柱，橋面鋪裝的重量通過增大混凝土橋面板的等效密度方式實現，兩側人行道及車行道護欄等通過MASS21單元來實現質量/質量矩的模擬，采用空間桿單元LINK10模擬斜拉索，并用Ernst公式考慮拉索的垂度效應，采用4節點彈性殼單元SHELL63模擬橋面板。成橋態有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型

2.2 結構動力特性

基于2.1節的有限元模型，利用子空間迭代法計算該橋結構動力特性，得到成橋態和施工態主梁的主要振型及頻率，如表1所示。據表1分析可知，主梁1階豎彎頻率為0.255 Hz，1階對稱扭轉頻率為0.435 Hz，其扭彎頻率比為1.707。最大單懸臂施工態主梁1階豎彎和主梁1階扭轉頻率分別為0.271 Hz和0.442 Hz。表1中計算得到的頻率用作下一節渦激振動振幅限值的計算。

表1 成橋態及施工態自振特性

3 橋梁抗風性能研究

根據JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風設計規范》[16](簡稱《規范》)附錄A可知，云霧特大斜拉橋地表粗糙度為D類，橋面高度處成橋階段設計基準風速分別為29.0 m/s，顫振檢驗風速為47.9 m/s，靜力扭發散風速為57.9 m/s。

3.1 主梁顫振節段模型試驗

主梁節段模型幾何相似比為1∶50，由不銹鋼板和ABS板加工而成，模型寬B=0.606 m，長度L=1.54 m，L/B=2.54，如圖3所示。為了得到合理的風速比，本次測振試驗渦振和顫振采用2套剛度不同的彈簧，節段模型由8根彈簧懸掛在特定的裝置上，渦振采用8根剛度為260 kg/m的彈簧，顫振采用8根剛度為143 kg/m的彈簧。豎彎阻尼比和扭轉阻尼比均采用1%，風攻角工況為+3°、-3°和0°。

圖3 主梁節段模型

對于渦激共振，據《規范》第7.2.6條規定，該橋成橋狀態豎向渦激共振和扭轉渦激共振振幅分別應滿足式(1)、式(2)要求：

(1)

(2)

式中：hc、[ha]分別為豎向渦激共振振幅測驗值和規范限值；θc、[θa]分別為扭轉渦激共振振幅測驗值和規范限值；B為截面寬度；fb、ft分別為主梁1階對稱豎彎頻率和1階對稱扭轉頻率。

經計算，成橋態豎向渦振的限定值為156.87 mm，扭轉渦振的限定值為0.345 7°；施工態豎向渦振的限定值為147.7 mm，扭轉渦振的限定值為0.340 2°，顫振檢驗風速為47.9 m/s。

成橋態和施工態下主梁扭轉振動和豎向振動在3個風攻角工況下隨實橋風速的變化規律如圖4～圖7所示。分析圖4～圖7可知：

1) 對于顫振穩定性檢驗的風洞試驗，各個計算工況下顫振臨界風速均大于顫振檢驗風速47.9 m/s，說明該橋不會發生大幅度顫振振動。

2) 顫振扭轉振幅和豎向振動振幅在3個風攻角工況下從大到小的順序依次為：+3°>0°>-3°。

3) 施工態的顫振臨界風速大于成橋態的顫振臨界風速。

圖4 成橋態扭轉振動

圖5 成橋態豎向振動

圖6 施工態扭轉振動

圖7 施工態豎向振動

3.2 主梁渦激共振階段模型試驗

渦激共振下進行了均勻流場和紊流場下的節段模型試驗，所模擬的紊流度約為實際橋面高度處紊流度的一半，即模型湍流度9.0%。

主梁階段模型成橋態和施工態下在3個風攻角作用下，渦激共振扭轉振幅和豎向振幅隨實橋風速的變化規律如圖8～圖12所示。分析圖8～圖12可知：

1) 均勻流場作用下的成橋態扭轉振動和豎向振動均發生了較大幅度的渦激共振，特別是在+3°風攻角下的豎向振幅超過了規范限值(156.9 mm)，其值為253 mm。

2) 在山區紊流風環境下不會出現渦激共振。

3) 均勻流場作用下的施工態扭轉振動和豎向振動渦激共振振幅很小，可忽略不計。

圖8 成橋態扭轉振動

圖9 成橋態豎向振動

圖10 紊流場成橋態豎向振動

圖11 均勻流施工態扭轉振動

圖12 均勻流施工態豎向振動

3.3 主梁三分力系數及馳振穩定性

成橋態主梁斷面在風軸和體軸狀態下的三分力系數測試結果如圖13、圖14所示。其中CM、CD、CL分別為風軸坐標系下的扭轉力矩系數、阻尼系數和升力系數，CH、CV、CM分別為風軸坐標系下的阻力系數、升力系數和扭轉力矩系數。

圖13 成橋態風軸系

與成橋態相比，施工態主梁斷面減少了欄桿等橋面系部分。施工態主梁斷面在風軸和體軸狀態下的三分力系數測試結果如圖15、圖16所示。

圖14 成橋態體軸系

圖15 施工態風軸系

圖16 施工態體軸系

分析圖13～圖16可知：

1) 0°風攻角下，成橋態主梁斷面的阻尼系數、升力系數和扭矩系數分別為1.331、-0.043、-0.003；施工態下主梁斷面的阻尼系數、升力系數和扭矩系數分別為1.246、0.156、0.078。

4 結論

本文基于主梁階段風洞試驗，研究了云霧特大橋主梁顫振、渦激共振和馳振穩定性，主要結論如下：

1) 對于顫振穩定性檢驗的風洞試驗，各個計算工況下顫振臨界風速均大于顫振檢驗風速47.9 m/s，說明該橋不會發生顫振大幅度振動。顫振扭轉振幅和豎向振動振幅在3個風攻角工況下從大到小的順序依次為：+3°>0°>-3°。

2) 均勻流場作用下的成橋態扭轉振動和豎向振動均發生了較大幅度的渦激共振，特別是在+3°風攻角下的豎向振幅超過了規范限值(156.9 mm)，其值為253 mm，但在紊流場風環境下不會發生渦激共振。

3) 0°風攻角下，成橋態主梁斷面的阻尼系數、升力系數和扭矩系數分別為1.331、-0.043、-0.003,施工態下主梁斷面的阻尼系數、升力系數和扭矩系數分別為1.246、0.156、0.078。馳振力系數恒為正，故馳振穩定性滿足規范要求。