板-桁組合式鋼桁梁懸索橋顫振穩定性選型研究

徐愛軍, 王 凱, 李明水, 廖海黎

(1. 貴州省交通建設工程質量監督局, 貴陽 550081; 2. 西南交通大學 風工程試驗中心, 成都 610031)

板-桁組合式鋼桁梁懸索橋顫振穩定性選型研究

徐愛軍1, 王 凱2,*, 李明水2, 廖海黎2

(1. 貴州省交通建設工程質量監督局, 貴陽 550081; 2. 西南交通大學 風工程試驗中心, 成都 610031)

板-桁組合式鋼桁梁與傳統的板-桁分離式鋼桁梁的氣動性能存在較大差異。以某大跨度板-桁組合式鋼桁梁懸索橋為工程背景，通過節段模型風洞試驗，詳細研究了該橋的氣動性能。針對關乎結構抗風安全的顫振問題，比較了下中央穩定板、上中央穩定板和水平穩定板對主梁顫振性能的影響。在綜合考慮結構安全、經濟和美觀等因素的基礎上，提出了最優的主梁氣動方案。研究成果可為類似大跨度鋼桁梁橋的抗風設計提供借鑒和參考。

板-桁組合式鋼桁梁；懸索橋；顫振；風洞試驗

0 引 言

大跨度懸索橋由于其結構輕柔、阻尼較小、自振頻率低，對風的作用比較敏感，結構的抗風性能已成為大跨懸索橋設計中必須考慮的重要方面。特別是1940年美國Tacoma大橋風毀事故，使得懸索橋的顫振穩定性得到廣泛關注。1948年Bleich首次采用Theodorsen的平板氣動自激力理論分析懸索橋顫振，1971年開始，Scanlan[1]長期致力于橋梁顫振穩定性研究，形成了一套完整的風洞試驗與理論分析相結合的研究方法。Ito等[2]采用概率分析方法研究了明石海峽大橋的顫振可靠性，明石海峽大橋針對桁架主梁斷面采用了下中央穩定板與橋面開槽相結合的方案，提高了該橋的顫振穩定性。國內學者如同濟大學楊泳昕等[3]研究了西堠門大橋中央開槽箱型斷面的顫振穩定性，分析了箱梁氣動外形的改變及開槽寬度對懸索橋顫振穩定性的影響；湖南大學陳政清等[4]對中央穩定板提高鋼桁梁橋顫振穩定性的作用機理進行了詳細研究，認為中央穩定板的作用機理是使顫振形態由單自由度向彎扭耦合顫振轉移，從而提高了顫振臨界風速。劉高等通過計算分析研究了采用主動控制翼板來抑制懸索橋的顫振。

桁架梁是大跨度懸索橋較常采用的一種斷面形式，桁架斷面具有抗扭剛度大、透風率高及方便在運輸困難地區施工等優點。板-桁分離式鋼桁梁是傳統的主梁形式，并為國內外大多數的鋼桁梁懸索橋所采用，如日本的明石海峽大橋、我國的矮寨大橋、壩陵河大橋等。為提高這類橋梁的抗風性能特別是顫振穩定性，在鋼桁梁中部設置了一定形式的上、下中央穩定板。與之相比，板-桁組合式鋼桁梁由于梁和板之間沒有縫隙，兩者的氣動性能存在明顯差異，從而使得基于傳統主梁形式的抗風措施并不適用于板-桁組合式鋼桁梁。

本文研究對象為西南山區一座正在建設中的主跨1130m鋼桁梁懸索橋(如圖1所示)，主梁采用板-桁組合式鋼桁梁(如圖2所示)，寬27m、高7m。該橋處于深切峽谷地區，氣象條件復雜。通過風參數計算、風洞試驗等詳細研究上、下中央穩定板和水平導流板等不同措施組合對桁架懸索橋氣動性能特別是顫振穩定性的影響[5]，在綜合考慮結構安全、經濟和美觀等因素的基礎上，提出最優的主梁氣動方案。

圖1 橋型布置Fig.1 Arrangement of bridge

圖2 主梁斷面Fig.2 Cross section of main girder

1 橋位風參數

大橋橋址處為典型的峽谷地貌。為了準確把握橋址處的實際風環境，從《公路橋梁抗風設計規范》[5]中取得橋位200km范圍內10個地區的最大風速和對應的百年風速，應用統計學中Gumbel Type I 極值分布計算得到橋位處基本風速[6]為25.15m/s。

由于大橋位于山區峽谷，橋面高度處設計基準風速的確定還需要考慮山區峽谷的影響，即山區峽谷對基本風速的修正。假設大橋橋址處“虛擬”標準氣象站的基本風速為峽谷進口風速，對于建于峽谷處的橋梁，可以借用以下經驗關系式獲得設計基準風速[7]：

(1)

式中：ud為建于峽谷上口處橋梁的設計基準風速；u10為橋位虛擬氣象站的基本風速，即設為峽谷進口風速；H為峽谷深度，當橋梁建于峽谷上口處，可取橋面至峽谷下底面的高度；B1為峽谷上口處寬度，一般為橋梁橋面長度；B2為峽谷下底面寬度；κ為山谷效應修正系數。由式(1)計算出大橋設計基準風速見表1。

表1 設計風參數Table 1 The design wind parameters

2 節段模型動力試驗

動力節段模型是用彈簧(模擬橋梁的等效剛度和彈性約束)將剛性節段模型懸掛在風洞中，通過直接測量隨風速和迎角變化的振動信息，評價主梁的顫振和渦振性能的常用試驗方法[8-9]。

按照原設計方案，主梁每個節間長7.6m，考慮到制作模型時，模型的桁架節間為整數，模型采用1:48的幾何縮尺比，模型弦桿采用優質木材制作，其余桿件、橋面防撞護欄、人行道護欄、檢修軌道等均采用塑料板雕刻而成。表2列出了動力試驗模型的參數。圖3給出了安裝在XNJD-1風洞中的試驗模型。

圖3 安裝在風洞中的節段模型Fig.3 Section model installed in wind tunnel

試驗在均勻流中進行，模型系統的阻尼比取為0.5%，試驗風速比為2.16。分別進行了-3°、0°、+3°這3種迎角情況下的試驗。在試驗風速和迎角范圍內，主梁施工階段沒有發生顫振失穩，也沒有發現豎向和扭轉渦激振動。對于成橋狀態，試驗獲得的顫振臨界風速見表3。

表2 節段模型主要試驗參數Table 2 Main test parameters of scaled section model

從表3中可以看出大橋主梁在-3°迎角下顫振臨界風速高于顫振檢驗風速，主梁是安全的；但是在0°和+3°迎角下，顫振臨界風速小于顫振檢驗風速，主梁的抗風設計不滿足橋梁的設計要求，必須對主梁斷面進行一定的氣動優化。

3 主梁氣動外形優化試驗

依據節段模型試驗結果，大橋成橋狀態在部分迎角范圍內，顫振臨界風速小于顫振檢驗風速。為了使大橋在山區特定條件下的顫振特性滿足設計要求，避免因風致顫振引起的橋梁破壞事件發生，需要利用風洞試驗對大橋主梁的氣動外形進行一系列的風洞試驗研究。

參考既有的板-桁分離式鋼桁梁橋顫振研究成果[10-14]，同時歸納實驗室以前在顫振研究時采用的氣動控制措施，通過對比上、下、水平穩定板、組合穩定板以及中央開槽等氣動措施，可知對于板-桁分離式鋼桁梁橋，一般采用下中央穩定板或者中央開槽的氣動措施是最有效的。根據這些規律，在進行此橋的氣動優化措施試驗時，首先是試驗下中央穩定板，但是卻發現下中央穩定板對于板-桁結合式鋼桁梁斷面的顫振性能幾乎沒有效果，最后通過一系列試驗發現水平穩定板和上中央穩定板對板-桁結合式鋼桁梁斷面的顫振臨界風速提高較多。板-桁分離式鋼桁梁與板-桁結合式鋼桁梁在提高主梁顫振性能時對氣動控制措施的選擇差別較大。

在此橋的氣動優化試驗中選擇最不利迎角+3°進行，系統阻尼比設定為0.5%。分別采用了單獨上、下、水平穩定板以及組合穩定板的方式(表4中圖示的紅色部分)，優化主梁的顫振性能。試驗得到的顫振臨界風速見表4(表中數據均換算到實橋)。

從表4可以看出，所有方案對提高主梁的顫振發散風速都有一定作用，但是效果各不相同。一個鮮明的特點是：對于提高傳統的板-桁分離式鋼桁梁橋顫振臨界風速效果極佳的下中央穩定板，對于板-桁結合式鋼桁梁的顫振性能改善效果不明顯。導致這一現象的原因可以用橋面板下部的流線加以說明(見圖4)：板-桁分離式鋼桁梁的橋面板和主桁架之間有縫隙，氣流通過縫隙時可發生加速效應，下中央穩定板的存在減緩了這種加速效應，并打亂了由橋面板下緣產生的流動分流和漩渦；而下中央穩定板對于板-桁組合式鋼桁梁斷面產生的氣流流動和渦旋運動，影響則不明顯，除非下中央穩定板足夠高，可以從根上改變斷面的流動特性。然而下中央穩定板過高，將會導致其它問題，譬如改變橋梁設計理念、斷面風荷載過大、影響橋梁的景觀和經濟性等。

從表4還可以看出，采用1.1m寬水平穩定板，主梁顫振臨界風速大于顫振檢驗風速，大橋顫振可以滿足規范要求；上中央穩定板對顫振臨界風速提高作用明顯，當上中央穩定板與中央分隔帶欄桿高度一樣時，顫振臨界風速略低于顫振檢驗風速；當上穩定板比中央分隔帶欄桿高100mm或150mm時，主梁顫振穩定性都能很好滿足抗風要求。

綜合以上分析，在不改變目前主梁斷面的前提下，可采用封住中央分隔帶欄桿的措施，改善主梁的抗風安全性。從主梁安全性和經濟性2方面考慮，在工程實施時，推薦設置比欄桿高100mm的上中央穩定板，如圖5所示。

(a) 板-桁分離式鋼桁梁

(b) 板-桁組合式鋼桁梁

圖4 下中央穩定板對鋼桁梁的局部流動影響

Fig.4 Flow patterns of the lower central stabilized plate at the steel truss girder

圖5 穩定板布置圖(左：截面；右：縱向)

Fig.5 Arrangement of the central stability board(left：cross section；right：longitudinal arrangement)

4 主梁優化前后氣動性能對比

在確定了最優的主梁外形后，為了對比主梁的氣動性能，獲得結構設計所需的氣動參數，還進行了主梁的靜力三分力試驗，并且與優化前的主梁靜力三分力系數進行對比。對比發現，主梁加了上中央穩定板以后，主梁的靜力三分力系數幾乎沒有變化，說明上中央穩定板對這種結構形式的靜力三分力系數的影響可以忽略。

在均勻流條件下，試驗迎角范圍α=-12°～12°，Δα=1°，試驗風速為15m/s。試驗獲得成橋狀態和施工階段主梁靜力三分力系數結果如圖6所示。

(b) 施工狀態圖6 主梁斷面三分力系數Fig.6 Static force coefficients of the bridge deck

5 結 論

通過節段模型風洞試驗、氣動優化風洞試驗及結果分析，可得到以下主要結論：

(1) 對于大跨度鋼桁梁懸索橋，顫振穩定性成為橋梁設計的控制因素，且主梁的顫振穩定性經常滿足不了設計要求，一般需要進行氣動外形優化。

(2) 對于板-桁分離式鋼桁梁橋，一般采用下中央穩定板或者中央開槽的氣動措施，可以很好地改善主梁的顫振性能。

(3) 對于板-桁組合式鋼桁梁橋，下中央穩定板對主梁顫振臨界風速的提高作用不明顯。上中央穩定板和水平穩定板對提高板-桁組合式鋼桁梁橋的顫振臨界風速有明顯效果。

(4) 板-桁分離式鋼桁梁與板-桁結合式鋼桁梁在提高主梁顫振性能時，對氣動控制措施的選擇差別較大。

另外，鑒于上中央穩定板、下中央穩定板和水平穩定板安裝的高(寬)度等對顫振發散風速影響較大，在應用于工程實際時，還需通過試驗確定穩定板安裝的位置、高(寬)度和沿橋跨向設置的長度。

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(編輯：李金勇)

Flutter stability selection study of a long-span steel truss suspension bridge with a combined deck plate

Xu Aijun1, Wang Kai2,*, Li Mingshui2, Liao Haili2

(1. Guizhou Province Traffic Construction Engineering Quality Supervision Bureau, Guiyang 550081, China; 2. Research Center for Wind Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

Comparing with the traditional beam-plate separation system, the aerodynamic performance of the steel truss with a combined deck plate is significantly different. By taking a suspension bridge with a combined deck plate as the engineering background, the aerodynamic performance of the bridge and aerodynamic optimizations of the deck configuration are studied in detail using the section model testing technique. To improve the flutter stability of the bridge, a series of wind tunnel tests are conducted to investigate the effects of the upper central stabilized plate, the lower central stabilized plate and the horizontal stabilized plate on the flutter performance of the main girder. According to the test results, the optimal aerodynamic measure is proposed to meet the requirements of the bridge wind resistance with consideration of structural safety, economy and aesthetic. The result can be taken as a reference for the design of aerodynamic performance of similar steel truss girder suspension bridges.

steel truss with combined deck plate;suspension bridge;flutter;wind tunnel test

1672-9897(2015)04-0052-06

10.11729/syltlx20150051

2015-03-30;

2015-05-26

交通運輸部科技項目(201231835250)；國家自然科學基金項目(51378442，51478402)

XuAJ,WangK,LiMS,etal.Flutterstabilityselectionstudyofalong-spansteeltrusssuspensionbridgewithacombineddeckplate.JournalofExperimentsinFluidMechanics, 2015, 29(4): 52-57. 徐愛軍, 王 凱, 李明水, 等. 板-桁組合式鋼桁梁懸索橋顫振穩定性選型研究. 實驗流體力學, 2015, 29(4): 52-57.

U441. 3

A

徐愛軍(1967-)，男，貴州貴陽人，高級工程師。研究方向：公路道路與橋梁工程。通信地址：貴州省貴陽市金陽知識經濟產業園區長嶺南路10-01-02號(550081)。E-mail：1062260774@ qq.com

*通信作者 E-mail: wangk1010@126.com