鋼管-鋼管混凝土復合橋塔抗風性能試驗研究

黃瑋

（1.福建省建筑科學研究院有限責任公司，福州 350108；2.福建省綠色建筑技術重點實驗室，福州 350108）

0 引 言

現代橋梁結構往長、細、輕、柔與低阻尼的方向發展，使之對風作用更加敏感，氣動彈性問題已成為大跨度及超大跨度橋梁強度、剛度和穩定性抗風設計的制約因素［1］。福建某海島橋采用（80+150+80）m異型主塔部分斜拉橋，選用造型獨特的鋼管-鋼管混凝土復合主塔結構，鋼管之間采用多層弧形鋼管進行加勁，同時鋼管作為斜拉索的貫通管道，如圖1所示。主梁采用兩個分離式的單箱雙室預應力混凝土箱梁結構，全橋寬46 m。橋址位于海島強風區，年平均風速6.9 m/s，全年大風（7級以上）日數為125 d，全年大于等于8級風力的天數為84.5 d，熱帶風暴年平均6.3次［2］。本橋采用貝殼形鋼管-鋼管混凝土橋塔，且橋位于海島強風區，因此必須進行抗風性能分析。

圖1 大橋主橋立面圖和斷面圖（單位：cm）Fig.1 Elevation and cross section of main bridge（Unit：cm）

采用鋼管-鋼管混凝土復合橋塔結構可減輕橋塔自重，設計出更輕盈多樣的結構造型，為保證新型橋塔抗風自立狀態的抗風安全，對其開展抗風性能研究［3-4］。目前大跨度橋梁抗風研究主要采用4種方法，即理論分析、風洞試驗、現場實測和數值風洞研究［5-6］。分別進行橋塔有限元理論分析，并制作橋塔氣彈模型通過表面測壓、測力、測振及測速方法研究該類風荷載及抗風性能。常見風致振動主要有顫振、渦激振動、抖振、馳振和斜拉索風雨振［7］。本橋主塔采用鋼管-鋼管混凝土復合主塔結構，材料為Q345-D內填充C40微膨脹混凝土，塔柱分為5根塔柱，與混凝土塔座之間完全固結，如圖2所示。由于塔柱截面為直徑1.5 m的圓形，因此不會產生顫振［8］，風洞試驗將對渦振、馳振、抖振進行逐一分析。

圖2 塔柱大樣圖（單位：cm）Fig.2 Detail section of column（Unit：cm）

1 動力特性分析

橋塔自立狀態結構動力特性分析模型如圖3所示，分析結果如表1所示。橋塔順橋向一階彎曲振動頻率為0.282 5 Hz，橋塔橫橋向一階彎曲振動頻率為0.302 8 Hz。主塔采用節段工廠加工、現場吊裝拼接施工，鑒于橋塔造型限制，主塔施工采用梁上搭設滿堂支架對稱施工，有助于增加橋塔施工工程中的動力穩定性。在施工階段中，橋塔處于雙懸臂狀態，最后一段鋼管吊裝拼接前為最不利施工狀態。

表1 橋塔振動前10階模態動力特性Table 1 Dynamic characteristics of pylon

圖3 橋塔MIDAS模型圖Fig.3 MIDAS model of pylon

2 風洞試驗

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG 3360-01—2018）（以下簡稱《抗風規范》）附錄A.3，該地區的10 m高度處百年一遇的風速為42.40 m/s，即U10=42.40 m/s。根據相關圖紙，橋塔基準高度Z偏于安全取為46.04 m。根據《抗風規范》橋塔設計基準風速Ucd為

根據《抗風規范》第7.3.5條，橋塔自立狀態馳振檢驗風速為

2.1 橋塔氣彈模型

在氣彈模型設計、制作中，不僅要模擬幾何尺寸，還要模擬氣動彈性特性。氣彈相似性可以用幾個無量綱參數來表示，如Reynolds數、Froude數、Strouhal數、Cauchy數、密度比和阻尼比等，模型縮尺比為1∶100，除了Reynolds數和Froude數外，均得到了嚴格模擬。選用實心銅管來模擬橋塔的剛度，通過尺寸參數的調整滿足橋塔塔柱順橋向剛度和橫橋向剛度相似要求，通過鉛皮配重來補充質量相似，如圖4所示。橋塔通過固結方式焊接在基座上，基座與測力天平通過螺栓連接，基座與風洞地板通過轉接件螺栓連接，從而形成橋塔固結。橋塔底端兩個ATI六分量天平用于測量橋塔在來流作用下的受力情況；橋塔的順橋向和橫橋向的最外沿布置了激光位移計測點，用于測量橋的橫向振動和縱向振動。頻率和阻尼比誤差小于2%。

圖4 橋塔氣動彈性模型Fig.4 Aeroelastic model of pylon

2.2 試驗結果

考慮到橋塔自立狀態風可能從不同方向吹來，在進行風洞試驗時分別考慮了風偏角從0°到90°以5°為步長增加的情況，共19個工況，并規定風偏角0°時對應順橋向吹風工況；風偏角90°時對應橫橋向吹風工況。試驗風速從5 m/s以1 m/s為步長增加到15 m/s，15 m/s對應的實際風速為93.75 m/s，遠超馳振檢驗風速。

測量得到了橋塔自立狀態均勻流場和紊流場不同風偏角下，橋塔塔頂順橋向受力響應平均值及均方差隨風速變化曲線，詳見圖5、圖6所示。試驗結果顯示，試驗過程中橋塔受力和風速基本呈現線性遞增的關系，未觀測到橋塔明顯的渦激共振現象和馳振現象。

圖5 均勻流場順橋向合力平均值和均方根值Fig.5 Responses of pylon in uniform flow field

圖6 紊流場順橋向合力平均值和均方根值Fig.6 Responses of pylon in turbulent flow field

測量得到了橋塔自立狀態均勻流場和紊流場不同風偏角下，橋塔塔頂順橋向位移響應平均值及均方差隨風速變化曲線，詳見圖7、圖8所示。試驗結果顯示，均勻流場橋塔自立狀態位移和風速基本呈現線性遞增的關系，未發生明顯的渦激共振現象和馳振現象；紊流場橋塔自立狀態也未發生明顯的渦激共振現象和馳振現象，抖振位移均方根值也較小。

圖7 均勻流場順橋向位移平均值和均方根值Fig.7 Displacements of pylon in uniform flow field

圖8 紊流場順橋向位移平均值和均方根值Fig.8 Displacements of pylon in turbulent flow field

從表2中響應可以得出：橋塔設計風速Vcd=62.78 m/s時，當風沿順橋向（即風偏角β=0°）作用下，橋塔塔頂順橋向位移平均值為1.361 9 mm，塔頂順橋向位移根方差為1.403 1 mm；塔頂橫橋向位移平均值為0.046 1 mm，塔頂橫橋向位移根方差為0.158 6 mm。實橋橋塔最大位移相當于0.140 31 m，振幅相對較小。

表2 紊流場典型風偏角下橋塔風致振動響應Table 2 Responses of main bridge turbulent flow field

當風沿橫橋向（即風偏角β=90°）作用下，橋塔塔頂順橋向位移平均值為-0.056 6 mm，塔頂順橋向位移根方差為0.256 0 mm；塔頂橫橋向位移平均值為1.240 1 mm，塔頂橫橋向位移根方差為1.274 6 mm。實橋橋塔最大位移相當于0.127 46 m，振幅相對較小。

3 結論

通過對該橋橋塔自立狀態的抗風性能研究，可以得出如下主要結論：

（1）計算得到橋塔自立狀態設計風速和馳振檢驗風速，橋塔自立狀態設計風速為62.78 m/s，馳振檢驗風速約為75.33 m/s。

（2）橋塔動力特性分析結果：橋塔一階順橋向彎曲振動頻率最低，橋塔順橋向一階彎曲振動頻率為0.282 5 Hz；橋塔橫橋向一階彎曲振動頻率為0.302 8 Hz；橋塔一階扭轉振動頻率為0.496 8 Hz。

（3）均勻流場和紊流場中，橋塔自立狀態風洞試驗結果表明：試驗過程中未觀測到橋塔明顯的渦激共振和馳振現象，抖振位移均方根值較小。

（4）由于均勻流場中橋塔自立狀態風洞試驗中未發現明顯的渦激共振和馳振現象，紊流場中橋塔抖振響應也很小，因此無須設置永久性減振措施；但由于橋塔在順橋向上“頭寬腳窄”，建議在施工過程中增加臨時性的輔助索，增強橋塔在順橋向方向的剛度和穩定性。