一種對稱A型橋塔抗風性能研究

謝瑜軒 冉蕓誠 董長甜

為研究并行雙幅斜拉橋對稱A型橋塔自立狀態下的動力抗風性能，文章以某大跨度斜拉橋為背景，通過開展氣彈模型風洞試驗，研究了該種橋塔在均勻流和紊流下的風致響應及特性。結果表明：均勻流場下，橋塔未發生馳振，且考慮實際橋位相比風洞更大的紊流度，橋塔發生渦振的可能性較小;紊流場下，橋塔迎風側和背風側的抖振位移順橋向均較大，兩者差異很小，通過機械措施增大結構阻尼，能有效抑制抖振位移。研究結果可為類似橋塔施工自立狀態的抗風安全設計提供參考。

對稱A型橋塔; 抗風性能; 風洞試驗; 機械措施

U441.3?? A

[定稿日期]2021-07-06

[作者簡介]謝瑜軒（1994～），男，在讀碩士，研究方向為橋梁風工程;冉蕓誠（1997～），男，在讀碩士，研究方向為橋梁風工程;董長甜（1998～），男，在讀碩士，研究方向為橋梁風工程。

橋塔是斜拉橋結構體系的重要組成部分，對于斜拉橋而言，隨著橋梁跨度的增大，橋塔的高度也會相應增高，其阻尼和剛度則會減小，橋塔的風致振動可能會成為設計、施工的控制因素之一;尤其是當橋梁在施工階段時，橋塔缺少拉索的約束而處于剛度與阻尼較小的自立狀態（裸塔），作為一種細高柔結構，橋塔對風的作用更為敏感，橋塔的抗風性能將成為設計選型的重要因素之一。橋塔自立狀態風致振動主要表現為渦振、馳振與抖振。其中渦振對于結構雖然不會直接破壞結構，但是其具有起振風速低、頻度大的特點，可能會造成橋塔的疲勞損傷，進而可能形成一種施工隱患。橋塔自立狀態一般具有足夠的馳振穩定性。橋塔的抖振是一種限幅振動，一般不會像顫振那樣引起災難性的破壞。但是較大的抖振響應會對橋梁其他結構的施工造成影響，如主梁和拉索的施工，甚至會危及施工人員和機械設備的安全。因此對于橋塔在施工階段發生的抖振問題不能忽視。

本文以某大跨度并行曲面鋼箱梁斜拉橋為背景，設計開展自立橋塔氣彈模型風洞試驗，分別研究了橋塔在均勻流風場和紊流風場下的風致響應，為同類型橋梁的抗風研究提供參考。

1 風洞試驗

1.1 工程背景

本研究依托的工程背景為四川遂寧涪江六橋初步設計方案，該橋為雙塔五跨的斜拉橋，全長748 m，其中主跨長為328 m，邊跨長210 m，橋型布置如圖1所示。該方案的橋塔結構圖如圖2所示。為了確保四川遂寧涪江六橋橋塔在施工自立階段（裸塔）的抗風安全，特地對橋塔的抗風性能進行了較為系統的模型風洞試驗研究。本文主要介紹1∶60縮尺比橋塔自立氣彈模型在0～90°風向角條件下風洞試驗研究的內容和結果，主要包括均勻流中橋塔的渦激振動性能，馳振性能以及紊流場中的抖振響應。

根據JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規范》[1]，該橋位于開闊的江面上，符合規范中對B類地表狀況的描述，按B類地表選取地表粗糙度系數α=0.16，地表粗糙高度z0=0.05。

據上述設計基本風速和和最新的JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規范》中的有關規定4.2.6-1，橋梁的設計基準風速為：

Vd=kfV10zz10α

式中：z表示跨中橋面離開水面的高度，kf為抗風風險系數，當24.5<V10<32.6時，kf的取值為1.02;z10表示標準高度，即z10=10 m。V10表示橋位10 m高度處設計基本風速，即V10=26.3 m/s;α為冪指數。取α=0.16。橋塔三分之二高度處距離水面高度按平均水位計算為73.34 m，則橋塔處的設計基準風速為：Vd=36.89 m/s，馳振檢驗風速為：Vs>1.25Vd=46.11 m/s。

1.2 試驗參數

橋塔的氣動彈性模型與全橋氣彈模型中的橋塔保持一致，其剛度和質量嚴格按照相似關系進行設計和制作。在安裝完成后，其面內和面外彎曲振動頻率能夠較好滿足設計要求，如表1所示。同時為增加其阻尼比（鋼結構阻尼比一般為0.5 %），采用了在外模接縫處輔以無剛性膠帶條方法。

試驗在西南交通大學XNJD-3風洞第一試驗段進行。該試驗段風速范圍為1～20 m/s，能夠滿足橋塔氣彈模型的阻塞度要求和風速范圍要求;配備的轉向裝置也能滿足0～90°風向角（10°為一個間隔）的要求。同時，為了考察兩個塔柱的干擾效應，分別針對迎風側和背風側兩個塔柱安裝了兩個激光位移計，記錄兩個塔柱的位移。

試驗分別在均勻流和紊流條件下進行，以分別在10個風向角下考察結構的渦振、馳振和抖振響應。試驗時，以橋面為參考，將橫橋向來風定義為0°風向角，將順橋向來風定義為90°風向角，如圖3所示。

2 均勻流風洞試驗

均勻流自立橋塔氣彈模型風洞試驗如圖4所示：

圖5和圖6分別給出了0°風向角和10°風向角下橋塔渦振位移隨風速的變化曲線。

在順橋向阻尼比0.5 %，橫橋向阻尼比1 %的條件下，在均勻流中，只有0°和10°風向角工況下橋塔出現了較為明顯的渦激振動響應。從圖5和圖6可以看出，0°風向角下的起振風速為20 m/s，振幅達到96 mm;10 °風向角下的起振風速為16 m/s，振幅達到47 mm。在其余風向角下未觀察到明顯的渦激振動。此外，在0°到90°范圍內，在馳振檢驗風速范圍內，未發現橋塔發生馳振現象。

考慮到實際橋位處紊流度在10 %左右，且鋼橋塔橋塔的整體阻尼一般高于規范要求的0.5 %，因此實際條件下橋塔發生渦激共振的可能性比較小。

3 紊流風洞試驗

紊流自立橋塔氣彈模型風洞試驗如圖7所示：

圖8和圖9分別給出了0°風向角和10°風向角下橋塔抖振位移隨風速的變化曲線。

從圖8和圖9可以看出，在順橋向阻尼比0.5 %，橫橋向阻尼比1 %的條件下，紊流中，橋塔在不同風向角下都發生了顯著的抖振，抖振位移隨風速的提高而增大。抖振位移隨風向角的變化如表2所示。

從表2可以看出，橋梁在橫橋向未發生明顯的位移，順橋向位移在0°風向角時最大，為36.3 mm，最小抖振位移出現在80°風向角條件下，為29.8 mm。

此時無論是迎風側塔柱還是背風側塔柱，兩者的抖振位移差異很小，因此可認為兩個塔柱之間沒有顯著的干擾效應，且橋塔的整體剛度較好。從中也可以看出，兩個塔柱的順橋向位移較大，且差異很小。橋塔橫向位移則相對較小。同時，在不同的風向角條件下未觀察到橋塔有明顯的渦激振動。

4 機械措施

如前文所述，考慮到實際橋位處紊流度在10 %左右，且鋼橋塔的整體阻尼一般高于規范要求的0.5 %，因此實際條件下橋塔發生渦激共振的可能性比較小。前文的風洞試驗表明在紊流風場中，橋塔在各個風向角下都容易發生顯著的抖振響應，針對該現象，采取機械措施，即提高橋塔結構的阻尼比來優化橋塔在紊流風場中的抖振響應。同樣采取在外模接縫處輔以無剛性膠帶條的方法來提高橋塔結構的阻尼比。具體工況如表3所示：

通過圖10可以明顯看出，在增加了結構的阻尼比后，兩個風向角下橋塔順橋向下的抖振響應位移有明顯的降低。0°風向角下背風側橋塔的抖振響應位移在提升阻尼比后由36.3 mm降低至32 mm，迎風側橋塔的抖振響應位移也同樣降低。10°風向角下兩側橋塔的抖振響應顯著降低，最大位移僅有24 mm。同樣的，在增加橋塔結構阻尼比的過程中，無論是迎風側塔柱還是背風側塔柱，兩者的抖振位移差異也很小，橋塔橫橋向也未發生明顯的位移響應。

5 結論

本文通過某跨江大橋自立橋塔的風洞試驗，探究其抗風特性，主要得出了以下結論：

（1）在均勻流中，只有0°和10°風向角工況下橋塔出現了較為明顯的渦激振動響應。0°到90°風向角下，在馳振檢驗風速范圍內，未發現橋塔發生馳振現象。

（2）在紊流中，橋塔在不同風向角下都發生了顯著的抖振，抖振位移隨風速的提高而增大。

（3）無論是迎風側塔柱還是背風側塔柱，兩者的抖振位移差異很小，因此可認為兩個塔柱之間沒有顯著的干擾效應，且橋塔的整體剛度較好。從中也可以看出，兩個塔柱的順橋向位移較大，且差異很小。橋塔橫向位移則相對較小。

（4）在增加了結構的阻尼比后，兩個風向角下橋塔順橋向下的抖振響應位移有明顯的降低。

參考文獻

[1] JTG/T 3360-01-2018 公路橋梁抗風設計規范[S].

[2] 周亞棟，孫延國，李明.大跨度斜拉橋橋塔自立狀態抗風性能試驗研究[J].橋梁建設，2020，50（3）：52-57.

[3] 劉新華，周勇，唐文峰，等.大跨獨塔斜拉橋異形索塔抗風性能研究[J].公路工程，2020，45（6）：155-160.

[4] 葛耀君，丁志斌，趙林.纜索承重橋梁橋塔自立狀態渦激共振及其控制[J].同濟大學學報：自然科學版，2007（8）：1008-1012.

[5] 車鑫. 自立狀態下鋼橋塔渦振容許振幅研究[D].西安：長安大學，2013.

[6] 夏燁，簡旭東，孫利民，等.大跨橋梁主塔施工階段塔吊風致振動與安全性研究[J].中外公路，2020，40（5）：93-99.

[7] 孟陽君，張家生.赤石特大橋索塔三分力系數識別與抗風時程分析[J].鐵道科學與工程學報，2019，16（1）：121-128.

[8] 胡慶安，喬云強，劉健新，等.斜風作用下橋塔施工階段抖振性能[J].交通運輸工程學報，2008（2）：40-43.

[9] 朱樂東，曹映泓，丁泉順，等.斜風作用下大跨度斜拉橋裸塔抖振性能[J].同濟大學學報：自然科學版，2005（7）：880-884.

[10] 李永樂，廖海黎，李佳圣，等.大跨度斜拉橋鋼橋塔基于渦振的氣動選型及馳振性能風洞試驗研究[J].實驗流體力學，2012，26（1）：50-54.

[11] Takeuchi T.. Effects of geometrical shape on vortex-induced oscillations of bridge tower[J]. Elsevier，1990，33（1-2）.

[12] G.L. Larose，M. Falco，A. Cigada. Aeroelastic response ofthe towers for the proposed bridge over Stretto di Messina[J]. Journal of Wind Engineering & Industrial Aerodynamics，1995，57（2）.

1891501186389