大跨高低塔斜拉橋抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究

郭 峰，康福軍，王 俊

（1.廣東省佛山市順德區(qū)工程建設(shè)中心，廣東 佛山 528300；2.長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，陜西 西安 710064）

0 引 言

橋梁跨徑不斷增加導(dǎo)致結(jié)構(gòu)阻尼更低、剛度更小，風(fēng)荷載對(duì)橋梁的作用成為大跨橋梁設(shè)計(jì)施工必須關(guān)注和解決的問(wèn)題。

自1940年舊Tacoma橋因扭轉(zhuǎn)顫振失穩(wěn)發(fā)生倒塌之后[1]，大跨橋梁的抗風(fēng)性能得到了空前的關(guān)注，學(xué)者從風(fēng)振機(jī)理、試驗(yàn)分析、振動(dòng)抑制[2-4]等角度，開(kāi)展了深入的研究，雖橋梁未再因發(fā)散性顫振而垮塌，但顫振穩(wěn)定性仍是大跨橋梁抗風(fēng)性能研究需要解決的首要問(wèn)題。

同時(shí)，渦激共振雖然屬于限幅振動(dòng)，但由于其對(duì)橋梁氣動(dòng)外形異常敏感，且起振風(fēng)速較低，一直是大跨橋梁抗風(fēng)研究的熱點(diǎn)之一[5-6]。Larsen對(duì)大貝爾特大橋[7]、Laima對(duì)西堠門大橋[8]，就渦振機(jī)理和制振措施進(jìn)行了詳盡的研究。2020年5月5日，廣東的虎門大橋就因?yàn)闇u激共振現(xiàn)象，引起了廣泛的熱議[9]。

此外，研究表明，主跨1 991 m的明石海峽大橋靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速遠(yuǎn)低于顫振臨界風(fēng)速92 m/s，僅為后者的83.2%[10]。因此有必要對(duì)大跨橋梁的靜風(fēng)穩(wěn)定性做專門研究。薛曉峰等[12]使用內(nèi)外雙重迭代法對(duì)某窄幅大跨人行懸索橋進(jìn)行非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性分析。程進(jìn)等[11]考慮了初始風(fēng)攻角、垂度效應(yīng)等因素，對(duì)某雙塔對(duì)稱斜拉橋進(jìn)行非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性分析，該方法是目前主流的非線性靜風(fēng)穩(wěn)定性分析方法。

可以看出，對(duì)大跨橋梁抗風(fēng)性能的研究一直是熱點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從分析方法，影響因素，氣動(dòng)措施等方面做了詳盡的研究，取得了豐碩的成果，但是對(duì)于大跨非對(duì)稱高低塔斜拉橋的抗風(fēng)性能研究，鮮見(jiàn)報(bào)道。

由此，本文以順德高低塔非對(duì)稱斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?，通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了橋梁的渦振和顫振性能，分析來(lái)流風(fēng)攻角對(duì)橋梁非線性靜風(fēng)響應(yīng)的影響規(guī)律，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

1 工程背景

佛山市順德區(qū)南國(guó)東路延伸線工程大橋（以下簡(jiǎn)稱順德大橋）總長(zhǎng)2 222.50 m，為高低塔混合梁斜拉橋。其主橋布置為2×66+626+59.5+2×60+55=992.50 m，其中主跨為流線型鋼箱梁，邊跨為流線型混凝土箱梁，箱梁寬為44.90 m，高度為3.80 m，原設(shè)計(jì)風(fēng)嘴為62°；橋塔采用鋼混組合高低塔形式，容桂側(cè)橋塔高204.00 m，大良側(cè)橋塔高151.00 m，高差53.00 m，具有顯著的不對(duì)稱特點(diǎn)，橋型布置如圖1所示，主梁斷面如圖2所示。順德大橋整體結(jié)構(gòu)造型美觀獨(dú)特，結(jié)構(gòu)輕盈時(shí)尚，建成后將成為當(dāng)?shù)氐牡貥?biāo)性建筑之一，但橋梁跨徑大、質(zhì)量輕、阻尼小，屬于風(fēng)致敏感結(jié)構(gòu)[13]，抗風(fēng)性能需要重點(diǎn)研究。

圖1 橋型布置圖（單位：cm）

圖2 鋼主梁斷面圖（單位：mm）

2 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 動(dòng)力特性分析

為了進(jìn)行節(jié)段測(cè)振模型設(shè)計(jì)需要的動(dòng)力參數(shù)，首先需要分析橋梁結(jié)構(gòu)的固有動(dòng)力特性。根據(jù)橋梁結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本文采用Beam4單元來(lái)模擬主梁、橋塔、剛臂，Link10單元來(lái)模擬斜拉索，并考慮垂度效應(yīng)，MASS21單元來(lái)模擬二期質(zhì)量，建立了魚(yú)骨梁有限元模型[14]，消隱形式的模型如圖3所示。限于篇幅，僅給出橋梁的典型振動(dòng)模態(tài)，如圖4、圖5所示。橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性見(jiàn)表1。

圖3 有限元模型

圖4 施工階段典型振型

圖5 成橋階段典型振型

2.2 模型設(shè)計(jì)與制作

規(guī)范指出[15]，用于節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)的二元?jiǎng)傮w模型應(yīng)滿足幾何外形相似、頻率比、質(zhì)量和阻尼比等無(wú)量綱參數(shù)的一致性條件，根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)阻塞率[15]以及模型縮尺比的要求[16]，對(duì)節(jié)段模型進(jìn)行設(shè)計(jì)，模型參數(shù)如表1所示。根據(jù)前述動(dòng)力特性結(jié)果，使用鋁合金、航空木板、ABS板材等，制造了節(jié)段模型。節(jié)段模型縮尺比為1∶50，長(zhǎng)1.800 m，寬0.940 m，高0.076 m，限于篇幅，僅展示成橋階段的測(cè)力模型和測(cè)振模型試驗(yàn)照片，如圖6所示。

表1 節(jié)段模型設(shè)計(jì)參數(shù)

圖6 成橋階段節(jié)段模型

2.3 試驗(yàn)設(shè)備介紹

順德大橋節(jié)段模型試驗(yàn)在長(zhǎng)安大學(xué)風(fēng)洞試驗(yàn)室CA-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，風(fēng)洞試驗(yàn)段規(guī)模為3.0 m寬×2.5 m高×15.0 m長(zhǎng)，可調(diào)風(fēng)速區(qū)間為0～53.0 m/s，流場(chǎng)紊流度Iu＜0.3%。節(jié)段模型測(cè)振試驗(yàn)主要儀器有激光位移傳感器、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)等。節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)主要儀器有桿式5分量應(yīng)變測(cè)力天平、數(shù)據(jù)采集儀、計(jì)算機(jī)等。

2.4 試驗(yàn)工況安排

為了提高試驗(yàn)效率，首先進(jìn)行節(jié)段模型渦振試驗(yàn)，在滿足渦振性能要求的基礎(chǔ)上開(kāi)展節(jié)段模型顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)試驗(yàn)，如果不滿足顫振穩(wěn)定性，則需要修改節(jié)段模型氣動(dòng)外形，重新進(jìn)行渦振顫振檢驗(yàn)，直到滿足要求為止。最后開(kāi)展節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)。順德大橋節(jié)段模型試驗(yàn)工況如表2所示。

表2 節(jié)段模型試驗(yàn)工況

3 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果討論

3.1 渦振性能

原方案成橋階段節(jié)段模型渦振試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，可以看出：（1）在+5°時(shí)，渦振豎向振幅和扭轉(zhuǎn)振幅均超出規(guī)范限值，在0°和+3°扭轉(zhuǎn)渦振振幅均超出規(guī)范限值[15]，不滿足設(shè)計(jì)要求；（2）在試驗(yàn)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，渦振振幅隨著風(fēng)速增加逐漸增加，且渦激共振均出現(xiàn)了兩個(gè)鎖定區(qū)間，依次為豎彎1次至豎彎2次至扭轉(zhuǎn)1次至扭轉(zhuǎn)2次。

圖7 原方案成橋階段渦振試驗(yàn)結(jié)果

因主梁斷面原方案渦振性能不滿足渦振要求，需借助氣動(dòng)措施來(lái)減小和抑制渦振振幅。以往研究指出[17-18]，可以通過(guò)改變風(fēng)嘴改善流線型箱梁渦振性能，因此將兩側(cè)風(fēng)嘴前端角度由62°減小到40°，如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果如圖9、圖10所示?？梢钥闯觯海?）在各工況下時(shí)，渦振振幅均未超過(guò)規(guī)范限值，說(shuō)明新方案滿足設(shè)計(jì)要求，較小的風(fēng)嘴有利于優(yōu)化橋梁鈍體斷面的氣動(dòng)外形，有利于抑制和減小可能存在的渦振；（2）在試驗(yàn)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，渦振振幅雖隨著風(fēng)速增加逐漸增加，但僅扭轉(zhuǎn)渦振出現(xiàn)了一個(gè)鎖定區(qū)間，且振幅遠(yuǎn)小于限值。

圖8 主梁新方案風(fēng)嘴（單位：mm）

圖9 新方案成橋階段渦振試驗(yàn)結(jié)果

圖10 新方案施工階段渦振試驗(yàn)結(jié)果

3.2 顫振性能

根據(jù)表2進(jìn)行了顫振穩(wěn)定性的檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，可以看出，該橋顫振穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，且在試驗(yàn)風(fēng)速區(qū)間內(nèi)，風(fēng)嘴的減小對(duì)顫振臨界風(fēng)速的影響可以忽略。

表3 顫振性能檢驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果

3.3 靜三分力系數(shù)

進(jìn)一步開(kāi)展節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)，得到施工階段和成橋階段的靜三分力系數(shù)，如圖11所示。

圖11 靜三分力系數(shù)

4 靜風(fēng)穩(wěn)定性分析

根據(jù)內(nèi)外雙增量迭代法，具體原理見(jiàn)文獻(xiàn)[19-21]。根據(jù)來(lái)流風(fēng)攻角不同，考慮了3個(gè)工況，分析了大跨高低塔斜拉橋跨中位置的非線性靜風(fēng)響應(yīng)，限于篇幅，僅給出成橋階段的靜風(fēng)穩(wěn)定性結(jié)果。

經(jīng)過(guò)多次迭代求解，該橋橋跨中位置非線性靜風(fēng)響應(yīng)如圖12所示，可以看出：（1）大跨高低塔斜拉橋靜風(fēng)響應(yīng)具有明顯的非線性特點(diǎn)，靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速遠(yuǎn)高于其設(shè)計(jì)的靜風(fēng)發(fā)散風(fēng)速63.81 m/s，有約2倍的安全儲(chǔ)備；（2）跨中位置豎向靜風(fēng)響應(yīng)比橫橋向響應(yīng)大，在設(shè)計(jì)靜風(fēng)穩(wěn)定風(fēng)速處，約為3倍；（3）風(fēng)攻角對(duì)跨中豎向位移、橫橋向位移及扭轉(zhuǎn)變形的影響較小，在0°風(fēng)攻角下，橋梁的靜風(fēng)失穩(wěn)風(fēng)速均高于其他角度，約5%。

圖12 成橋階段跨中位置靜風(fēng)響應(yīng)

5 結(jié)論

（1）通過(guò)節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)研究了大跨高低塔斜拉橋渦振性能，由于原方案渦振振幅超過(guò)規(guī)范限值，提出了減小風(fēng)嘴的有效的氣動(dòng)措施，發(fā)現(xiàn)較小角度的風(fēng)嘴有利于抑制流線型箱梁結(jié)構(gòu)成橋階段的渦振。

（2）通過(guò)節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)探了大跨高低塔斜拉橋的顫振性能，發(fā)現(xiàn)適當(dāng)降低風(fēng)嘴角度，不影響橋梁的顫振性能。

（3）通過(guò)節(jié)段模型測(cè)力風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了大跨高低塔斜拉橋三分力系數(shù)，為后續(xù)靜風(fēng)穩(wěn)定性分析提供參數(shù)。

（4）使用內(nèi)外雙重迭代法研究了大跨高低塔斜拉橋靜風(fēng)響應(yīng)，研究結(jié)果表明：大跨高低塔斜拉橋靜風(fēng)響應(yīng)具有顯著的非線性特征；跨中位置以豎向響應(yīng)為主；風(fēng)攻角對(duì)靜風(fēng)響應(yīng)影響不明顯。