大跨管道懸索橋抗風特性試驗研究

王 凱，張光舉，曹平輝(四川省鐵路產業投資集團有限責任公司, 四川成都 610041)

大跨管道懸索橋抗風特性試驗研究

王 凱，張光舉，曹平輝
(四川省鐵路產業投資集團有限責任公司, 四川成都 610041)

大跨度管道懸索橋，由于沒有橋面板，其抗風特性與普通懸索橋具有一定的差異，目前沒有專門的管道橋抗風規范，抗風問題已成為管道橋設計中的重要考慮因素。文章以某大跨度管道懸索橋為工程背景，總結山區峽谷管道橋設計風參數的選取方法，得到管道橋橋面高度處的設計風速。通過節段模型風洞試驗，獲取了管道橋的氣動力系數，為橋梁的抗風設計提供重要參數。通過節段段模型動力試驗，詳細研究了該橋的氣動性能。最后給出了管道橋的全橋氣彈模型試驗的風致響應特性。研究結果表明，跨度不超過300 m的管道懸索橋具有很好的抗風安全性，為以后管道橋抗風規范的編寫等提供參考和依據。

管道橋；懸索橋；節段模型；氣彈模型；風洞試驗

在我們西南山區管道的修建過程中，經常需要跨越河流、湖泊、沼澤、沖溝、山谷等障礙物，這時就需要建設管道跨越結構[1]。當河谷的寬度比較大時，管道懸索橋就成為了跨越結構的首選橋型[2]。

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。顫振作為一種發散性的運動，在大跨橋梁抗風穩定性設計中是重點考慮的一環[3]。

由于管道懸索橋都是桁架結構，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。但是桁架梁也有它特有的一些特性，如顫振性能較差等，因此對于管道懸索橋，有必要研究清楚大跨管道懸索橋可能出現的空氣動力特性、大跨管道橋的風振等問題。

本文研究對象為西南山區一座主跨280 m鋼桁梁管道懸索橋(圖1)，主梁為桁梁式結構，寬10 m，大纜采用雙索面，垂跨比為1/10，橋面結構主要采用槽鋼，由高強螺栓連接(圖2)。橋塔采用鋼箱式橋塔，每隔2 m設置一道橫隔板，并設置檢修通道。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了大跨管道橋的抗風性能和抗風安全性。

圖1 橋型布置

圖2 主梁斷面

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》[4]中取得橋位200 km范圍內三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[5]為25.6 m/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[6]：

(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 m/s

2 有限元計算分析

根據前面的設計資料，采用通用的有限元軟件對橋梁結構的動力特性進行計算分析，當有荷載作用在橋梁結構上時，橋梁結構會發生一定的幾何變形，因此在進行模態分析前必須對結構進行恒載作用下靜力分析，然后更新結構的幾何剛度矩陣。在有限元計算中，大橋在成橋狀態時，其約束條件為：橋塔底部按照實際條件設置固定約束，6個自由度全部限定；兩個主塔處的墩柱在豎向、橫向及順橋向的扭轉3個自由度與主梁進行耦合限定；主纜于錨碇處固定。計算出的橋梁結構成橋態下的振動頻率和振動質量見表2。橋梁成橋態時的部分振型見圖3。

表2 成橋狀態結構動力特性

注：表格中—表示數值較大，即在該方向沒有振動；振動特點中V表示豎向，L表示橫向，T表示扭轉，A表示正對稱，S表示反對稱，數字表示階次。

3 節段模型試驗

在進行階段模型設計時，按照主梁的設計方案，主梁每個節間長1.25 m，考慮到制作模型時，模型的桁架節間為整數，模型采用1∶19.5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[7]。

3.1 靜力試驗

靜力試驗主要是測量主梁的靜力三分力系數。靜力三分力系數反映了風對橋梁結構的定常氣動作用，是表征在平均風作用下各類結構斷面受力情況的無量綱系數。通過測試主梁在不同攻角下的三分力系數，可以為主梁的靜風穩定性計算、抖振計算等提供必要的計算參數，從而可評價主梁發生靜風失穩的可能性和抖振力的大小。

(a) 第2階振型(對稱橫彎0.25 Hz)

(b) 第3階振型(反對稱豎彎0.36 Hz)

(c) 第4階振型(對稱豎彎0.43 Hz)

(d) 第8階振型(反對稱橫彎0.89 Hz)圖3 部分振型

試驗在均勻流條件下進行，試驗攻角為：α=-12°～+12°，Δα=1°。對管道懸索橋主跨標準梁段在成橋狀態時進行試驗，測試整體主梁在不同攻角下的三分力系數，測試風速15 m/s，試驗結果分別以體軸和風軸系下的靜力三分力系數曲線及數據列表的形式給出。靜力試驗的模型見圖4，試驗結果見圖5。

3.2 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攻角變化的振動信息，評價主梁的顫振和渦振性能的常用試驗方法[8-9]。試驗模型采用和靜力試驗相同的模型，表3為動力試驗模型的參數。圖6為安裝在風洞中的動力試驗模型。

圖4 靜力試驗的節段模型

(a) 體軸系

(b) 風軸系圖5 主梁三分力系數曲線

表3 節段模型主要試驗參數

注：表3中數字意義同表2。

圖6 動力試驗的節段模型

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4.4。分別進行了-3°、0°、+3° 三種攻角情況下的試驗。在試驗風速和攻角范圍內，主梁成橋階段和施工階段都沒有發生顫振失穩，也沒有發現豎向和扭轉渦激振動。

從表4中可以看出大橋主梁在-3°、0°和3° 三個攻角下顫振臨界風速均高于顫振檢驗風速，主梁具有很好的顫振安全性。

表4 主梁的顫振臨界風速

4 全橋氣彈模型試驗

全橋氣動彈性模型能較真實地模擬結構的動力特性，較準確地反映結構與空氣的動力相互作用，主要用于檢驗橋梁結構在均勻來流下的靜風穩定、渦振、顫振、馳振等氣動性能，以及在紊流條件下的抖振性能等[10]。

考慮到大橋主梁全長以及風洞試驗段的尺寸及橋梁結構的規模，將全橋氣彈模型的幾何縮尺比定為CL=1/20，則氣彈模型主跨長14 m，橋塔高1.65 m。安裝氣彈模型后，風洞中的空氣阻塞度小于3 %(一般情況，風洞試驗模型在風洞中的空氣阻塞度應小于5 %)。

風洞試驗中氣彈模型由很多段桁架組成，每段桁架之間由彈簧扣來連接，不足的重量由鉛塊等重物配在石油和天然氣管道內。在試驗中，利用位移計來測量模型主梁的位移響應，利用貼在橋塔芯梁上的應變片來檢測模型橋塔的內力。

根據力學相似理論，用于風洞試驗的全橋氣動彈性模型應遵循一定的相似準則進行設計，即在原型(實橋)和模型之間保持無量綱參數的一致性，相似準則見表5。

表5 模型設計的相似準則

其中：ρ為空氣密度；V為風速；b為結構特征尺度；EA、EI和GK分別為拉壓剛度、彎曲剛度和自由扭轉剛度；m和Im分別為單位長度的質量和質量慣矩；ζ為結構模態阻尼比。

全橋氣動彈性模型由主梁、橋塔、大纜、吊索及支座等構成。其中主梁由很多小段桁架梁段和彈簧扣組成；橋塔部件由芯梁和氣動外形組成；大纜由鋼絞線提供其剛度并由鐵塊套在外面控制重量；吊索由沒有剪切剛度但拉伸剛度很大的鋼絲組成；石油和天然氣管道由塑料管里面加鉛塊配重組成；橋面欄桿用高級塑料板模擬氣動外型。安裝在實驗室中的模型如圖7所示。

圖7 全橋氣彈模型

在進行試驗前，首先要進行氣彈模型的模態測試，模態測試的目的是檢驗全橋模型的結構動力特性是否與原型理論計算值之間滿足相似關系。模型的動力特性(振型、頻率、阻尼)采用用強迫振動法測量。利用激光位移傳感器傳感器用來獲取模型的振動信號。測試所得成橋狀態氣彈模型的模態結果見表6。從表中可以看出，模型幾個重要模態的頻率測試值與要求值吻合良好，結構阻尼比也在合理范圍內，從而保證了模型結構動力特性與原型相似。全橋氣彈模型試驗結果見表7。

表6 模態測試結果

從表7中可以看出，無論是在均勻流還是紊流中，模型的位移都基本小于50 mm，遠小于規范允許的范圍，橋梁結構具有很好的抗風安全性。

5 結論

通過橋位風參數計算、節段模型風洞試驗、全橋氣彈模型風洞試驗及結果分析，可得到以下主要結論：

表7 設計風速下的位移響應

(1)大跨管道懸索橋，雖然沒有橋面板系統，但是其具有與普通桁架梁懸索橋類似的氣動特性，結構動力特性與窄橋類似。

(2)大跨管道懸索橋不同于普通的桁架懸索橋，具有很好的顫振穩定性，不用進行氣動外形的優化。

(3)大跨管道懸索橋在設計風速下的位移很小，遠小于規范允許值，具有很好的抗風安全性。

(4)管道懸索橋不同于普通的懸索橋，目前沒有專門的規范可以采樣，在應用于工程實際時，還需通過試驗確定橋梁的抗風安全性。

[1] 梁翕章.管道建設的基本規律[J].油氣儲運, 2003, 22(12):1-9.

[2] 李世榮, 宋艾玲, 張樹軍.我國油氣管道現狀與發展趨勢[J].油氣田地面工程, 2006, 25(6):7-8.

[3] Scanlan R H.Problematic in formulation of wind．force model for bridge decks[J].J Struct.Engrg.ASCE, 1993, 119(7):1433-1446.

[4] JTG/T D60-01-2004 公路橋梁抗風設計規范[S].

[5] 王凱, 廖海黎, 李明水.山區峽谷橋梁設計基準風速的確定方法[J].西南交通大學學報,2013,48(1): 29-36.

[6] 徐洪濤.山區峽谷風特性參數及大跨度桁梁橋風致振動研究[D].成都: 西南交通大學,2009.

[7] 徐洪濤, 廖海黎, 李明水.壩陵河大橋節段模型風洞試驗研究[J].世界橋梁, 2009(4): 83-89.

[8] 許福友, 陳艾榮, 張哲.確定橋梁模型顫振臨界風速的實用方法[J].振動與沖擊, 2008, 27(12) : 97-102.

[9] 胡峰強.山區風特性參數及鋼桁架懸索橋顫振穩定性研究[D].上海： 同濟大學, 2006.

[10] 王凱, 廖海黎, 劉君.山區峽谷大跨鋼桁梁橋抗風特性試驗研究[J].振動與沖擊,2014,33(19): 169-174.

國家自然科學基金(51278435)

U441.3

A

[定稿日期]2016-01-25

[作者信息]王凱(1988～)，男，博士，主要從事橋梁工程研究。