貴州天門特大橋抗風性能研究

韋定超　張磊

摘要 懸索橋由于跨度大、剛度小、阻尼低，極易發生不利的風致振動和較大的風荷載效應。文章以貴州天門特大橋為研究對象，介紹了該懸索橋主橋的抗風設計主要過程。首先介紹橋梁的基本設計參數、風速參數，采用了有限元分析方法給出了主要模態及頻率。進一步介紹了基于節段模型的顫振穩定性試驗研究，以及靜氣動力系數試驗結果。最后給出了等效靜風荷載作用下橋梁的風荷載響應。通過研究表明，橋梁能夠滿足顫振穩定性等抗風檢驗要求。

關鍵詞 懸索橋；節段模型；顫振穩定性；靜氣動力系數

中圖分類號 U441.3文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0141-03

0 引言

近年來，隨著懸索橋跨度的不斷增大，橋梁結構變得更柔、阻尼更小，因此對風荷載的敏感程度也不斷增減，橋梁結構抗風穩定性問題日益突出[1-2]。隨著我國西部建設的加速，大量山區高速公路被提上建設日程，作為高速公路關鍵節點的山區大跨度橋梁的建設也取得了高速發展。與傳統橋梁抗風所關注的跨海及跨江大橋不同，山區峽谷的大跨橋梁由于橋址處地形變化劇烈，導致橋址處風效應顯著，對山區峽谷懸索橋抗風性能有極大影響[3-4]。因此，山區峽谷大跨度橋梁的抗風設計是目前橋梁抗風研究的重點，也是保證山區大跨度懸索橋安全運營的關鍵。

1 研究進展

目前，針對大跨橋梁的抗風性能研究，相關學者已經開展了大量研究。王凱等[5]針對大跨山區峽谷懸索橋的抗風性能開展優化試驗研究，得到了滿足抗風性能的最優抑振措施，研究成果能為類似橋梁的設計提供依據。翟曉亮等[3]針對某山區峽谷大跨橋梁的風致振動特性和抗風性能開展試驗研究，確定了該風場環境下的最優主梁設計方案。張瑞林等[6]基于節段模型風洞試驗，對某懸索橋桁架梁的后顫振特征與機理開展研究。張新軍等[4]開展了考慮靜風效應疊加下的斜風作用對懸索橋流線型箱梁成橋狀態及施工過程中的顫振穩定性研究，結果表明必須綜合考慮靜風和斜風效應對大跨懸索橋的不利影響。He等[7]通過風洞試驗和本征正交分解法，分析了流線型扁箱梁的主要幾何參數（如主梁高寬比和風嘴角度等）對其氣動性能的影響。劉小兵等[8]基于風洞試驗開展某山區峽谷大跨人行懸索橋抗風性能研究，結果表明該橋具有較好的渦振性能和顫振穩定性。

貴州天門特大橋為雙塔三跨的懸索橋，主纜邊跨分別為254 m及188 m，主纜中跨820 m；兩岸主塔采用鋼筋混凝土塔柱結構，為外傾門形框架，主塔塔高分別為195.0 m及135.0 m；主梁采用鋼桁加勁梁（板桁組合結構），主桁為帶豎桿的華倫式桁架，主桁上、下弦桿采用箱形截面，標準節段豎腹桿、斜腹桿采用“工”形截面，端節段則采用箱形斷面；兩岸均采用重力式錨碇。橋梁總體布置圖和主梁橫斷面布置圖分別如圖1所示。該文擬通過節段模型風洞試驗的方法，針對大橋的抗風性能展開研究，為大橋的抗風設計提供依據。

2 風速參數

根據《公路橋梁抗風設計規范（JTG/T 3360-01—2018）》[9]，大橋橋位處相鄰有畢節與安順，參照規范中安順地區基本風速取值為24.6 m/s；畢節地區基本風速26.3 m/s。該橋橋位距離畢節地區約124 km、距離安順約105 km，利用規范中規定的反距離插值方法，確定出橋位的基本風速為25.4 m/s。該基本風速下，天門特大橋抗風風險區域為R2等級；結合橋位周邊地形地貌衛星圖片及場地特征，可確定風場場地地表類別為D類，風剖面指數α=0.30，粗糙高度z₀=1.0 m。根據抗風規范，可得天門特大橋主梁處設計基準風速為43.2 m/s（100年重現期）。在+3°、0°、?3°風攻角下，主橋的顫振穩定性檢驗風速為67.1 m/s；在±5°風攻角下，成橋階段的顫振穩定性檢驗風速要求有所降低，為47.0 m/s。

3 結構動力特性分析計算

橋梁結構動力特性分析是大跨橋梁風致響應分析的基礎，為了進行風荷載作用下的結構振動響應分析，必須先獲得其動力特性參數[10]。為此，采用數值分析方法以獲取天門特大橋成橋狀態的動力特性參數。

天門特大橋成橋狀態典型振動頻率及振型描述如表1所示。根據表1分析結果可以看出，橋梁影響顫振的關鍵頻率為一階正對稱豎彎和正對稱扭轉頻率，頻率分別為0.185 1 Hz與0.344 8 Hz，相應的扭彎頻率比為1.86。

4 主梁節段模型試驗

主梁節段模型測振試驗主要模擬結構的一階豎向和扭轉方向兩個自由度的振動特性，采用洞外支架懸掛，模型幾何縮尺比λ_L=1∶60。節段模型的骨架為桁架結構，由鋁合金型材和鍍鋅板焊接而成。橋面和風嘴采用木材雕刻而成，橋面欄桿和檢修軌道選用ABS材料雕刻而成。顫振試驗的節段模型主要參數如表2所示。試驗在均勻流場中進行，并考慮了?5°、?3°、0°、+3°、+5°五種不同的風攻角。

4.1 主梁節段顫振穩定性試驗

檢驗結構達到顫振臨界風速的標準是系統阻尼比是否為0。圖2給出了不同風攻角作用下主梁的扭轉阻尼比隨折減風速變化曲線。通過試驗發現，天門特大橋在0°、±5°及±3°風攻角下的顫振臨界風速分別為84.0 m/s、63.0 m/s、70.0 m/s、73.5 m/s、70.0 m/s。在±3°風攻角內，大橋最不利的顫振臨界風速為70.0 m/s，大于67.1 m/s的檢驗風速要求；在±5° 兩個大角度風攻角作用下，最不利的顫振臨界風速為63.0 m/s，大于47.0 m/s的檢驗風速要求。

4.2 主梁節段測力試驗

節段模型測力風洞試驗針對成橋狀態斷面開展了?12～+12°共計25個風攻角的試驗工況。全部測力節段模型風洞試驗都是在均勻流場中進行的。試驗結果包括主梁豎向的靜風阻力和阻力系數、靜風升力和升力系數以及靜風升力矩和升力矩系數。圖3給出了靜氣動力系數隨風攻角變化曲線。其中，取?3～+3°最不利系數可作為風荷載設計依據，相應的阻力系數為1.162、升力系數為0.301、升力矩系數為0.01。

5 結構靜風荷載效應

對天門特大橋主橋成橋狀態在等效靜陣風荷載作用下的響應進行計算，以保證橋梁在運營過程中的抗風安全。為此開展了等效靜風荷載下的風荷載效應分析。分析過程中，采用等效靜陣風速Ug作為風荷載施加的輸入參數，其中Ug=GvUd=1.37×43.2=59.2 m/s。通過分析得出靜風荷載位移如表3所示。有分析結果可見，在等效靜陣風荷載作用下主梁豎向變形0.075 m，主梁跨中側向位移為0.243 m，且跨中側向變形小于主跨跨徑1/150的檢驗要求。

6 結論

天門特大橋是典型的山區峽谷鋼桁架主梁懸索橋。該文通過節段模型風洞試驗的方法，對天門特大橋在風荷載作用下的顫振穩定性及風荷載進行了試驗研究與分析。根據分析得到如下主要結論：

（1）橋梁的一階正對稱豎彎和扭轉頻率分別為0.185 1 Hz與0.344 8 Hz，扭彎頻率比為1.86。

（2）成橋狀態下，在?3°、0°、+3°風攻角中顫振不利風攻角為?3°，相應的顫振臨界風速為70.0 m/s，滿足67.1m/s的檢驗要求；在?5°與+5°兩個風攻角下最不利的顫振臨界風速為63.0 m/s，滿足47.0 m/s顫振檢驗要求。

（3）通過節段模型測力試驗得出成橋狀態主梁的阻力系數為1.162、升力系數為0.301、升力矩系數為0.01。

（4）在等效靜陣風荷載作用下主梁豎向變形0.075 m，主梁跨中側向位移為0.243 m，且跨中側向變形小于主跨跨徑1/150的檢驗要求。

參考文獻

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[7]He X， Li H， Wang H， et al. Effects of geometrical parameters on the aerodynamic characteristics of a streamlined flat box girder[J]. JOURNAL OF WIND ENGINEERING AND INDUSTRIAL AERODYNAMICS， 2017， 170： 56-67.

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