鴨池河鐵路特大橋懸臂施工階段抗風(fēng)性能風(fēng)洞試驗

敬洪武， 洪成晶

(1.成貴鐵路有限責(zé)任公司，四川成都 610031; 2.西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

與大跨度斜拉橋和懸索橋相比，拱橋的跨度相對較小，結(jié)構(gòu)剛度較大，風(fēng)致效應(yīng)相對較小。然而在拱橋施工階段，尤其是采用懸臂施工方法時，結(jié)構(gòu)的自振頻率較小，對風(fēng)的作用敏感[1-3]。當(dāng)拱橋處于最大懸臂狀態(tài)時，風(fēng)對結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性和抖振性能更為不利。目前對拱橋抗風(fēng)性能的研究主要依賴于風(fēng)洞模型試驗。為檢驗330 m的捷克茲達(dá)可夫橋的橫向穩(wěn)定性，采用1/50縮尺比的全橋模型進(jìn)行了風(fēng)洞試驗[4]，這是國外較早進(jìn)行全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗的大跨度拱橋。在國內(nèi)，自貴州江河界大橋開始，拱橋的抗風(fēng)性能得到了越來越多的關(guān)注。葛耀君等[5]對上海盧浦大橋進(jìn)行了橋位風(fēng)環(huán)境試驗、節(jié)段模型測力試驗和全橋氣彈模型試驗，并對結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)穩(wěn)定性等方面進(jìn)行了研究。周述華等[6]對丫髻沙大橋進(jìn)行了節(jié)段模型試驗、全橋氣彈模型試驗，并對橋梁的風(fēng)致響應(yīng)進(jìn)行了分析計算。晏致濤[7]對菜園壩長江大橋進(jìn)行了節(jié)段模型和全橋氣彈模型試驗，并對其顫振導(dǎo)數(shù)和抖振內(nèi)力進(jìn)行了分析和研究。本文以鴨池河大橋為工程背景，對結(jié)構(gòu)懸臂施工階段抗風(fēng)性能進(jìn)行氣彈模型試驗，并根據(jù)試驗結(jié)果指導(dǎo)施工。

1 工程背景及動力特性計算

新建成都至貴陽鐵路貴州鴨池河特大橋，主橋為中承式鋼-混凝土結(jié)合拱橋，計算跨徑為436 m，主橋拱肋拱軸線采用懸鏈線提籃拱，為鋼-混凝土組合結(jié)構(gòu)，拱軸系數(shù)為m=3.5，中心矢高115 m，矢跨比1∶3.8，拱頂處拱肋中心距為15 m，拱腳處拱肋中心距為33.6 m，兩片拱肋與鉛垂面的夾角均為4.62°，拱肋均由兩片中心距為4.2 m的鋼桁拱及其之間的橫向聯(lián)接系組成(圖1)。大橋主梁采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，單箱三室截面，預(yù)應(yīng)力采用縱、橫雙向預(yù)應(yīng)力體系，主梁采用半漂浮體系，即主梁在拱肋橫梁、拱上立柱上設(shè)置兩個豎向支座，拱肋橫梁與梁底間設(shè)置縱向粘滯性阻尼器，主梁橫向與拱肋之間設(shè)置橫向抗風(fēng)支座。

鴨池河大橋主橋拱肋采用纜索吊裝的方法施工，先吊裝鋼桁拱肋并至合龍，兩澆筑結(jié)合混凝土。折除扣索和錨索后施工拱上立柱、拱圈外側(cè)主梁，而后采用吊掛法由兩側(cè)向跨中施工中跨主梁至主梁合龍，最后為橋面工程及附屬工程施工。

該橋為鋼混凝土結(jié)合拱橋，從結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能的角度考慮[8]，其具有以下特點：(1)結(jié)構(gòu)新穎，拱肋、主梁斷面的氣動力特性無現(xiàn)成資料可參考；(2)跨度大，固有頻率低，阻尼小；(3)橋址區(qū)為峽谷地形，峽谷風(fēng)效應(yīng)明顯，風(fēng)特性復(fù)雜，現(xiàn)在相關(guān)規(guī)范對針對該區(qū)域的風(fēng)特性描述不完善；(4)施工較為復(fù)雜，施工期懸臂長度長，頻率低、結(jié)構(gòu)體系多次變換。

基于ANSYS有限元分析軟件，建立如圖2所示的有限元模型，對處于施工階段最大懸臂狀態(tài)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性計算。在對結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元離散時，對主梁、拱肋桿件、立柱及施工塔架等分別采用梁單元進(jìn)行模擬，扣索、錨索采用桿單元進(jìn)行模擬。計算結(jié)果見表1。

表1 最大雙懸臂狀態(tài)動力特性計算結(jié)果

圖1 鴨池河大橋里面布置(單位：cm)

圖2 最大懸臂狀態(tài)計算模型

2 橋位處風(fēng)場特性分析

根據(jù)設(shè)計資料，橋址工程區(qū)域處于我國梯級地勢的第二級臺階-云貴高原東部，區(qū)內(nèi)為典型的喀斯特高原、峽谷地貌類型。從地形分水嶺到烏江及其一級支流河谷，主要發(fā)育有三級臺狀地形，河谷地帶以峽谷地形為主。峽谷地區(qū)基本為陡峻的斜坡及峭壁地形，谷頂高程1 000～1 100 m，其中1 100～1 000 m為斜坡地形，為寬谷期地貌，1 000 m以下以陡壁地形為主，為峽谷期地貌，切深達(dá)170～300 m以上，河谷狹窄、岸坡陡峻，巖溶形態(tài)以巖溶洞穴為主，兩岸溶洞及巖溶地下水成層性分布特點。鴨池河大橋橋面軌頂設(shè)計標(biāo)高1 068.6 m，位于斜坡地形標(biāo)高以內(nèi)。根據(jù)以上資料分析可知，橋位處地表粗糙度為C類。

本文利用FLUENT商用軟件，采用計算流體動力學(xué)(CFD)方法[9、10]，對貴州鴨池河橋的橋址處風(fēng)特性進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究橋位處平均風(fēng)速沿高度變化。建立圖3的計算模型，計算與整體布置為12 km×12 km×2 km。由于氣流在靠近地面位置變化最為劇烈，為了較好的模擬各物理量的變化，在高度方向采用不等間距的方式劃分網(wǎng)格，靠近地面區(qū)域采用密網(wǎng)格，遠(yuǎn)離地面區(qū)域采用稀疏網(wǎng)格。

計算域頂面為對稱邊界條件，地面為無滑移壁面條件，風(fēng)場計算入口處來流風(fēng)速分布采用氣象觀測站標(biāo)準(zhǔn)場地(B類地表)對應(yīng)的風(fēng)速輪廓圖，計算入口風(fēng)速通過用戶自定義函數(shù)(UDF)進(jìn)行設(shè)置，風(fēng)速沿高度變化按照指數(shù)規(guī)律進(jìn)行設(shè)置。式(1)分別為入口平均風(fēng)速沿高度變化表達(dá)式，地面10 m高處百年一遇風(fēng)速取25.2 m/s。

(1)

式中：z0為參考高度，根據(jù)JTG/T D60-01-2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》取10 m；U0為10 m高度處平均風(fēng)速即基準(zhǔn)風(fēng)速；z為距地面高度；α為粗糙度系數(shù)，取0.16。

(a)橋位計算區(qū)局部地表網(wǎng)格劃分

(b)全計算域網(wǎng)格劃分圖3 數(shù)值模擬計算域

考慮橋位處的地形條件，對西南來流方向下橋面位置1/4跨、跨中和3/4跨處的的風(fēng)速分布進(jìn)行了模擬。數(shù)值計算結(jié)構(gòu)表明，在西南方向來流的作用下(圖4)，由于入口風(fēng)速與河道入口平行，風(fēng)剖面受地形的影響較小，保持了同入口風(fēng)剖面比較接近的指數(shù)率，并且由于缺少了地形的阻擋，橋面高度處風(fēng)速與來流風(fēng)速相近。

根據(jù)各計算結(jié)果，對跨中處風(fēng)剖面結(jié)果進(jìn)行曲線擬合，對比式(1)，擬合得出粗糙度系數(shù)α=0.15，擬合優(yōu)度R2=0.985 1。

圖4 西南來流下風(fēng)剖面

3 最大懸臂施工階段風(fēng)洞試驗

3.1 試驗概況

鴨池河大橋最大懸臂施工階段風(fēng)洞試驗在西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞實施，該風(fēng)洞為回流式，試驗風(fēng)速范圍為1～16.5 m/s，并且風(fēng)洞中配備了尖塔、鋸齒擋板和粗糙元組成的大氣邊界層模擬裝置，可以模擬出規(guī)范所要求的風(fēng)速剖面、湍流度和風(fēng)速譜。綜合考慮橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計要求以及風(fēng)洞試驗段的尺寸，將模型的幾何縮尺比和風(fēng)速比定義為CL=1/100和CU=1/10，根據(jù)相似條件可得頻率比為Cf=10/1。試驗?zāi)Ｐ鸵妶D5。

圖5 最大懸臂施工階段風(fēng)洞模型

為驗證試驗?zāi)Ｐ偷恼_性，采用強(qiáng)迫振動法測量試驗?zāi)Ｐ偷墓逃蓄l率，并與1節(jié)中的動力特性計算結(jié)果相比較。模型測試結(jié)果見表2。從表中可以看出，模型重要模態(tài)的頻率測試值與要求值吻合良好，結(jié)構(gòu)阻尼也在合理范圍內(nèi)，從而保證了模型結(jié)構(gòu)動力特性與原型相似。

3.2 大氣邊界層流場模擬

根為保證試驗結(jié)果的可靠性，在風(fēng)洞試驗的過程中需對大氣邊界層中的流場進(jìn)行正確模擬。在本次試驗中，流場模擬所考慮的相似性指標(biāo)為平均風(fēng)速剖面、紊流強(qiáng)度剖面和紊流風(fēng)譜。根據(jù)第2節(jié)中橋位處風(fēng)場特性分析的結(jié)果，在試驗時模擬的大氣邊界層紊流度和紊流風(fēng)譜按照C類地表進(jìn)行模擬，而風(fēng)剖面則按地表粗糙度系數(shù)α為0.15進(jìn)行模擬。

表 2 最大懸臂施工階段模態(tài)測試結(jié)果

采用擋板、尖塔和粗糙元等裝置對大氣邊界層進(jìn)行模擬，根據(jù)模擬指標(biāo)確定粗糙元排數(shù)及其間距。其在風(fēng)洞布置如圖6所示。

圖7～圖9為大氣邊界層模擬所得到的模型所在位置的風(fēng)剖面圖(已換算到實橋)、紊流強(qiáng)度Iu剖面圖和紊流風(fēng)譜與Von Karmen 風(fēng)譜及Kaimal 風(fēng)譜的比較圖。圖7表明風(fēng)洞邊界層模擬的粗糙度系數(shù)α為0.15風(fēng)剖面曲線與C類地表粗糙度地區(qū)的理論曲線接近。由圖8可知，橋面高度紊流強(qiáng)度約為Iu = 15 %，扣塔65 %高度處的紊流強(qiáng)度約為12 %，符合C類地表粗糙度地區(qū)橋面高度處紊流度，可見試驗段模擬風(fēng)場的平均風(fēng)速剖面及紊流強(qiáng)度剖面均滿足試驗要求。圖9中模擬風(fēng)譜在橋梁抖振所依賴的折算頻率范圍內(nèi)(fz/U>10-1)與目標(biāo)譜(Von Karmen譜和Kaimal譜)吻合良好。綜上所述，模擬的大氣邊界層能夠滿足試驗的要求，確保試驗結(jié)果的正確性。

圖6 大氣邊界層模擬裝置

圖7 模型位置處平均風(fēng)速剖面

圖8 模型位置處紊流度剖面

圖9 模擬風(fēng)譜與目標(biāo)風(fēng)譜的比較

3.3 風(fēng)洞試驗結(jié)果分析

分別在均勻流場和紊流場中進(jìn)行試驗，通過轉(zhuǎn)動模型下的轉(zhuǎn)盤，測得結(jié)構(gòu)在來流0.5～7 m/s，風(fēng)向角分別為β=0°、β=±15°、β=±30°、β=±45°時的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，其中β=0°時對應(yīng)的是橫橋向來流。圖10和圖11分別為均勻流場和紊流場中懸臂端的位移響應(yīng)圖(已換算至實橋)。根據(jù)試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)以下規(guī)律：

(1)從圖10和圖11中可以發(fā)現(xiàn)，無論是在均勻流場中還是在紊流場中，隨著風(fēng)速的增加，結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)也隨之增大，但在不同流場中結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)隨風(fēng)速的變化曲線有顯著不同。在紊流場中，位移均方根值隨著風(fēng)速的增大一直增大，而在均勻流場中，位移隨風(fēng)速變化曲線中存在著明顯的“臺階”，如圖10(b)中的50～60 m/s的風(fēng)速區(qū)間。

(2)在均勻流場中，結(jié)構(gòu)懸臂端橫橋向與豎橋向位移響應(yīng)隨著風(fēng)向角的增大先增大后減小，在風(fēng)向角為0°時達(dá)到最大值，且在正風(fēng)向角下的位移響應(yīng)總是比其對應(yīng)的負(fù)風(fēng)向角的位移響應(yīng)值大。

(3)在紊流場中，與在均勻流場中相同，結(jié)構(gòu)懸臂端橫橋向與豎橋向位移響應(yīng)隨著風(fēng)向角的增大先增大后減小，但位移響應(yīng)值在風(fēng)向角為15°時達(dá)到最大值。

(4)從圖中以及風(fēng)洞試驗可以得出，在實橋風(fēng)速小于70.0 m/s的風(fēng)速范圍內(nèi)主拱肋在各來流風(fēng)向角時均未發(fā)現(xiàn)有明顯的渦振、馳振現(xiàn)象。

(a)橫橋向位移響應(yīng)

(b)豎橋向位移響應(yīng)圖10 均勻流場中懸臂端位移響應(yīng)

(a)橫橋向位移響應(yīng)

(b)豎橋向位移響應(yīng)圖11 紊流場中懸臂端位移響應(yīng)

4 結(jié)論

通過對鴨池河特大橋橋位處風(fēng)場特性CFD 計算分析和最大懸臂施工階段的氣動彈性模型風(fēng)洞試驗，可以得出如下結(jié)論：

(1)橋位處地表類型為C類，根據(jù)風(fēng)場特性模擬結(jié)果，在進(jìn)行最大懸臂施工階段風(fēng)洞試驗時可采用粗糙度系數(shù)α=0.15進(jìn)行平均風(fēng)速剖面的模擬。

(2)與在紊流場中不同，結(jié)構(gòu)在均勻流場中時，結(jié)構(gòu)懸臂端的位移風(fēng)速變化曲線中存在著明顯的“臺階”。

(3)在均勻流場中結(jié)構(gòu)最不利風(fēng)向角為0°，在紊流場中結(jié)構(gòu)最不利風(fēng)向角為15°。

(4)最大懸臂施工階段氣彈模型風(fēng)洞試驗表明，不同來流風(fēng)向角下，未發(fā)生有渦振、馳振現(xiàn)象，設(shè)置臨時橫撐等抗風(fēng)措施加強(qiáng)后，懸臂施工狀態(tài)的結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性能滿足要求。