鋼箱疊合梁獨塔斜拉橋抗風性能研究

王明志 李昊洋 湯朝陽 曹凌宇

摘要：為了研究鋼箱疊合梁獨塔斜拉橋的抗風性能，以國外某主跨200 m的獨塔斜拉橋為背景，通過1∶50節(jié)段模型風洞試驗，測試了該疊合梁斷面成橋態(tài)和施工態(tài)下的靜力三分力系數(shù)和均勻流下的渦振響應。試驗結(jié)果表明：均勻流和紊流下的三分力系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律一致，但在數(shù)值上存在差異，2種流場中施工態(tài)、成橋態(tài)下的力矩系數(shù)和成橋態(tài)下的升力系數(shù)吻合度較高，阻力系數(shù)均表現(xiàn)為均勻流下的高于紊流;渦振試驗結(jié)果顯示，該斷面的豎向渦振性能優(yōu)于扭轉(zhuǎn)渦振性能，豎向渦振振幅均小于規(guī)范限值，部分攻角下的扭轉(zhuǎn)渦振振幅超出規(guī)范限值，通過適當增加阻尼比能夠完全抑制渦振。

[作者簡介]王明志（1995—），男，碩士，研究方向為橋梁抗風。

斜拉橋因跨越能力大、結(jié)構(gòu)受力合理等優(yōu)點而備受工程師們青睞，據(jù)統(tǒng)計，目前世界上已建成的斜拉橋數(shù)量約為600座，其中獨塔斜拉橋約占了1/6～1/4[1-2]。然而，大跨度橋梁由于質(zhì)量輕、剛度小、阻尼小，對風的作用也更加敏感，主梁斷面的抗風性能成為橋梁設(shè)計中的關(guān)鍵因素[3-4]。

疊合梁能夠充分發(fā)揮鋼材和混凝土各自的優(yōu)勢，具有受力性能好、承載力高、剛度大等優(yōu)點，已廣泛運用于中等跨度橋梁的建設(shè)。目前，許多學者針對疊合梁的抗風性能展開了研究。段青松等[5]研究了邊箱疊合梁的渦振性能，發(fā)現(xiàn)主梁斷面僅在正攻角下發(fā)生渦振，通過增加阻尼和間隔封閉人行道欄桿能夠較好地抑制渦振;董佳慧等[6]研究了邊箱鋼混疊合梁的顫振形態(tài)，并對比了中央穩(wěn)定板、裙板、導流板等氣動措施的制振效果，發(fā)現(xiàn)導流板與裙板組合能夠顯著提高斷面的顫振臨界風速;李明等[7]研究了不同風向角下非對稱Π型疊合梁的氣動性能，結(jié)果表明，非對稱人行道對疊合梁的渦振性能影響顯著，人行道板的存在改變了來流的分離與再附著，從而影響主梁的渦振性能，另外，人行道板還能為斷面提供一定的扭轉(zhuǎn)正阻尼，從而提高主梁的顫振臨界風速;張?zhí)煲淼萚8]采用1∶60節(jié)段模型風洞試驗對比了常見氣動措施對雙箱疊合梁渦振的控制效果，發(fā)現(xiàn)將制振效果較差的三角形風嘴和封閉欄桿組合能夠取得很好的制振效果;鄧斌等[9]對比了3組Π型梁斷面的靜風穩(wěn)定和顫振穩(wěn)定，發(fā)現(xiàn)3組斷面的抗風性能均滿足要求，且疊合梁的顫振臨界風速低于鋼箱梁;胡旭輝等[10]通過CQC方法計算了某工字形組合梁最大單懸臂狀態(tài)的抖振響應，并提出了一種減小施工期抖振振幅的制振措施;戰(zhàn)慶亮等[11]以4座采用鋼混疊合梁開口斷面的橋梁為背景，研究了該類斷面的顫振性能和渦振性能，并發(fā)現(xiàn)增設(shè)風嘴能夠有效抑制斷面的顫振及渦振，且增大風嘴尺寸多渦振抑制更有效;Daito等[12]研究了Π型疊合梁和邊箱疊合梁的主縱梁間距對疊合梁斷面渦振性能的影響。

目前的研究主要針對雙邊主梁鋼混疊合梁斷面，而對鋼箱疊合梁的研究較少。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，以國外某主跨200 m的鋼箱疊合梁獨塔斜拉橋為背景，對鋼箱疊合梁的抗風性能展開研究，研究成果可為同類橋梁的抗風性能提供一定的參考。

1 工程概況

該橋全長630 m，跨徑布置為（24+38+53+3×65+200+2×60）m，如圖1所示。其中主跨200 m部分采用非對稱獨塔斜拉橋方式布置，主塔高108.6 m，為人字形空間異形塔，如圖2所示。主梁斷面采用鋼箱疊合梁，鋼箱梁高3 m，混凝土板厚0.25 m，橋面寬25.7 m，采用雙向四車道，拉索采用單索面形式布置，如圖3所示。

2 試驗內(nèi)容

試驗在西南交通大學XNJD-1工業(yè)風洞第二試驗段進行，該試驗段截面尺寸為2.4 m×2.0 m×16.0 m（寬×高×長），試驗風速范圍為0.5～45.0 m/s，均勻流場的紊流度小于1.0 %，該試驗段有專門進行靜力試驗和動力試驗的裝置。節(jié)段模型縮尺比取1∶50，模型的長、寬、高分別為2.095 m、0.574 m、0.065 m。主梁模型采用優(yōu)質(zhì)木材制成，人行道欄桿、防撞護欄和排水槽等附屬設(shè)施采用工程塑料板雕刻而成，以保證模型的精度。動力測試的節(jié)段模型由8根彈簧懸掛于支架上，使其能產(chǎn)生豎向和扭轉(zhuǎn)二自由度運動，試驗支架置于洞壁外，以免干擾流場[13]。靜力測試節(jié)段模型安裝在三分力測試天平上，為了保證二元流動，在主梁模型兩端設(shè)置端板，并將測力系統(tǒng)置于洞壁外，以免干擾流場。節(jié)段模型試驗內(nèi)容如表1所示。

3 靜力三分力系數(shù)

三分力系數(shù)是描述靜風荷載的一組無量綱參數(shù)，它反映了風對結(jié)構(gòu)的定常作用。靜力三分力的表示按照所取坐標系的不同可分為風軸坐標系和體軸坐標系，如圖4所示。

風軸坐標系下的主梁斷面的三分力系數(shù)表達式：

式中：α為來流攻角;1/2ρU2為來流動壓;FD（α）、FL（α）、MT（α）分別為α攻角下風軸坐標系下的阻力、升力和力矩;H、B、L分別為節(jié)段模型的高度、寬度和長度。

試驗在均勻流（紊流強度小于0.5 %）和紊流（紊流強度為5.5 %）中進行，試驗風速分別為10 m/s、15 m/s和17 m/s，并取3種風速下三分力系數(shù)的平均值作為最終結(jié)果。風洞試驗照片如圖5所示，成橋態(tài)和施工態(tài)靜力三分力系數(shù)隨攻角的變化曲線如圖6所示。

試驗結(jié)果表明，均勻流和紊流下的三分力系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律一致。在成橋態(tài)和施工態(tài)中，力矩系數(shù)在兩種流場下的試驗結(jié)果能夠很好地吻合，阻力系數(shù)均表現(xiàn)為均勻流下的試驗結(jié)果高于紊流下。成橋態(tài)下兩種流場中的升力系數(shù)試驗結(jié)果吻合度較高，而施工態(tài)下的存在差異，具體表現(xiàn)為當風攻角α≤2°時，紊流下的升力系數(shù)大于均勻流，而當風攻角α>2°時，紊流下的升力系數(shù)小于均勻流。

4 渦振響應

渦激振動雖然不會對橋梁結(jié)構(gòu)造成毀滅性破壞，但過大的振幅會降低橋梁的舒適性，引起構(gòu)件的疲勞破壞。因此，規(guī)范對渦振的振幅進行了限定[14]。

豎向渦振振幅應滿足：

扭轉(zhuǎn)渦振振幅應滿足：

式中：hV、θt分別為豎向渦振振幅（mm）和扭轉(zhuǎn)渦振振幅（°）;γV為渦激共振分項系數(shù);fV、ft分別為豎向振動頻率和扭轉(zhuǎn)振動頻率（Hz）;B為主梁寬度。

節(jié)段模型縮尺比為1∶50，渦振試驗在在均勻流下進行，試驗攻角為0°，±3°和±5°。節(jié)段模型主要試驗參數(shù)如表2所示，試驗照片如圖7所示，渦振試驗結(jié)果如圖8和圖9所示。

成橋態(tài)下的豎向渦振性能較好，而扭轉(zhuǎn)渦振性能較差。豎向渦振振幅遠小于規(guī)范限值，0°和+3°風攻角下發(fā)生了振幅較小的豎向渦振，豎向最大振幅僅20.03 mm，鎖定風速為31.9 m/s。扭轉(zhuǎn)渦振在25 m/s風速范圍內(nèi)的渦振振幅小于規(guī)范限值，+3°風攻角下的扭轉(zhuǎn)渦振振幅達0.14°，鎖定風速為33.9 m/s，超過規(guī)范限值，但由于該風速下橋梁已處于關(guān)閉狀態(tài)，因此可適當降低舒適度要求。

施工態(tài)下的渦振性能與成橋態(tài)基本一致。5個攻角下的豎向渦振振幅均遠小于規(guī)范限值，在-5°、-3°和+3°風攻角下發(fā)生了振幅較小的豎向渦振，豎向最大振幅發(fā)生在+3°風攻角下，最大振幅為17.27 mm，鎖定風速為17.4 m/s。-3°和+3°風攻角下發(fā)生了明顯的扭轉(zhuǎn)渦振，且2個攻角下均產(chǎn)生了2個渦振區(qū)間，第一渦振區(qū)間位于12～22 m/s風速范圍內(nèi)，第二渦振區(qū)間位于25～32 m/s風速范圍內(nèi)。扭轉(zhuǎn)渦振的最大振幅為0.19°，鎖定風速為29.5 m/s，最大振幅超過規(guī)范限值72.7 %。

由于成橋態(tài)和施工態(tài)下主梁的扭轉(zhuǎn)渦振振幅超過規(guī)范限值，將阻尼比增加至ξh=0.48，ξa=0.42后，成橋態(tài)和施工態(tài)的渦激振動完全消失。

5 結(jié)論

（1）均勻流和紊流下的三分力系數(shù)隨攻角的變化規(guī)律一致，但部分數(shù)值存在差異。在均勻流和紊流兩種流場下，成橋態(tài)和施工態(tài)下的力矩系數(shù)高度吻合;升力系數(shù)在成橋態(tài)下的吻合度高于施工態(tài);阻力系數(shù)在成橋態(tài)和施工態(tài)下均表現(xiàn)為均勻流下的結(jié)果高于紊流下。

（2）該斷面的豎向渦振性能優(yōu)于扭轉(zhuǎn)渦振性能，豎向渦振振幅均滿足規(guī)范要求，豎向最大振幅僅20 mm，部分扭轉(zhuǎn)渦振振幅超出規(guī)范限值，扭轉(zhuǎn)最大振幅達0.19°，超出限值73 %。

（3）增加阻尼比至ξh=0.48，ξa=0.42后，主梁的渦激振動完全消失。

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