施工態下塔吊對鋼橋塔渦激振動影響的風洞試驗

蘇 洋，李 鵬，胡 朋，林 偉

(1.重慶交通大學 土木工程學院，重慶 400074；2.中交第二公路工程局， 陜西 西安 710065；3.長沙理工大學 土木工程學院，湖南 長沙 410114)

0 引言

渦激共振是大跨度橋梁在低風速情況下非常容易發生的一種風致振動現象。渦激振動是一種帶有自激性質的振動，振動的結構反過來又會對渦流形成某種反饋作用，使得渦激共振的振幅受到限制，因此，通常稱渦激共振是一種帶有自激性質的風致限幅振動[1]。盡管渦激振動不像顫振、馳振那樣會發散從而導致結構發生毀滅性的振動破壞，但由于是低風速下經常容易發生的振動，且振動幅之大足以影響行車安全和舒適性能，因而在施工或者成橋階段避免渦激共振或限制其振幅在可接受的范圍之內具有十分重要的意義[2]。

對于鋼橋塔而言，一方面，相對于混凝土橋塔，鋼橋塔具有質量輕，阻尼小，結構相對柔性等特點，在常見的風速下也更容易產生較大的振幅，嚴重影響結構質量及施工人員的舒適性，甚至危及結構安全。另一方面，高聳的鋼橋塔由于其截面為典型的鈍體斷面，相對于流線型斷面極易發生風致振動現象，所以有必要對鋼橋塔的風致振動進行研究。已有橋塔的風振響應研究大多是針對于裸塔狀態進行研究分析的[3-14]，而針對施工過程中橋塔及塔吊組合體系情況下的風振響應的研究并不多見。Takeuchi[15]針對自由豎立的鋼橋塔容易出現渦激振動的特點，采用風洞試驗的方法考查了鋼橋塔的氣動特性和渦激振動的發生機制，并結合前人研究成果與風洞試驗成果，研究了串聯雙柱式橋塔的氣動穩定性，通過合理布置雙肢塔柱的突出附屬物、塔柱截面的切角數量以及兩塔柱的間距比等參數來改善橋塔的氣動特性。Larose等[16]針對376 m高的H形鋼橋塔首先進行了兩階段的節段模型試驗來選取相對較優的截面選型，再通過縮尺比1/250的氣動彈性模型試驗進一步優化了截面，并指出渦激振動是H形橋塔主要的氣彈現象，通過在H形塔柱雙肢增加透風屏障可以有效地減小旋渦脫落現象，從而顯著減小鋼橋塔的渦激共振的振幅。在針對裸塔渦振控制的研究中，葛耀君等[17]以位處于東南沿海的某大跨度懸索橋為工程背景，研究了纜索承重橋梁橋塔自立狀態下的渦激共振及其振動控制措施。朱樂東等[18]以杭州之江大橋為工程實例研究了鋼橋塔渦振氣動控制措施。以上研究均是僅針對裸塔狀態，而施工過程中的橋塔和塔吊組合體系的風致振動響應相對于裸塔的風振響應而言會有一定的差異，所以有必要將裸塔狀態及橋塔和塔吊組合狀態下的風振響應進行對比分析。

為研究施工狀態下，塔吊對鋼橋塔風致振動的影響，本研究以某跨江大橋鋼橋塔和塔吊組合體系為工程背景，考查了裸塔狀態下和橋塔與塔吊組合體系下各自的風致響應，對比分析了塔吊對橋塔渦激振動的影響。研究結論可為大橋鋼橋塔的風致施工安全提供一定的參考。

1 氣動彈性模型風洞試驗設置

氣動彈性模型風洞試驗能較為真實地模擬結構的動力特性，也能較為準確地反映結構與空氣間的相互作用，其主要用于測量結構的氣動彈性響應。通過均勻流場中的氣動彈性模型試驗，考查橋塔結構發生渦激振動、馳振的可能性。橋塔塔吊組合體系氣動彈性模型試驗在湖南科技大學風洞實驗室中進行，該試驗段寬度為4.0 m，高度為3.0 m，長度為17.0 m，風速范圍為0～35.0 m/s。實驗室配備直徑3 m的360°連續可調轉盤，可滿足試驗過程中不同風偏角的試驗要求。

1.1 測點布置

根據該橋塔的特點，氣動彈性模型試驗中選擇塔頂及65%塔高處作為動態響應測量的控制斷面，測定橋塔順橋向和橫橋向位移響應。另外在塔吊頂水平起重臂的前端、支撐處及后端增設3個動態位移測試點，如圖1所示。

圖1 橋塔及塔吊測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points on bridge pylon and tower crane

1.2 測試儀器

動態位移測試采用英國IMETRUM非接觸式應變位移視頻測量儀，該儀器利用其創新性的專有亞像素圖像識別算法，在測量應變、旋轉以及位移方面具有超高的分辨率，可較方便地實現多點動態實時同步測量，分析精度在1/1 000個像素內。風速測試儀器為澳大利亞某公司眼鏡蛇風速測量系統，試驗過程中眼鏡蛇風速儀安裝在橋塔65%高度處。

2 裸塔狀態氣動彈性模型試驗

2.1 氣動彈性模型頻率

通過對已有試驗和相關文獻調研表明，高聳的鋼橋塔由于其截面為典型的鈍體斷面，極易發生渦激振動現象。在進行橋塔塔吊組合體系氣彈模型風洞試驗之前，應首先對裸塔氣動彈性模型進行研究。考查橋塔自立狀態下的氣動性能，并測試可能的渦激振動的發振風速范圍、振動幅度。更進一步的對比裸塔氣彈模型與后續橋塔塔吊組合體系風洞試驗的結果，由此可分析出塔吊的安裝對橋塔氣動性能的影響。裸塔氣彈模型一階順橋向振動頻率為2.23 Hz，一階橫橋向振動頻率為2.71 Hz，兩者與目標值誤差均在3%以內。經測試，裸塔氣彈模型結構阻尼為0.15%。試驗時模型的縮尺比為1∶75，風速比為1∶7.5。

2.2 不同風向角下裸塔的風振響應

對于均勻流場中的風洞試驗，考慮到來流方向的不確定性，除了來流風向角β=0°(即來流方向與橋軸線垂直)外，根據橋塔結構外形的對稱特性，進行了風向角β=15°，30°，60°，90°(其中角度以模型俯覽時逆時針轉動為正方向)時的試驗。在每一種來流風向角工況下，考慮到試驗風速比較小(1∶7.5)，試驗過程中為了捕獲橋塔可能存在的渦激振動風速區間，試驗風速從1.5 m/s開始，每0.25 m/s(相當于實橋風速為1.9 m/s)為一級試驗風速逐級增加，直至約8 m/s(相當于實橋約60 m/s)，遠高于施工狀態設計風速34.9 m/s。

圖2為均勻流中裸塔狀態0°風向角試驗布置圖。圖3～圖7分別給出了不同風向角下裸塔塔頂及65%塔高處的順橋向及橫橋向風致響應均方差。其中，均勻流中的0°風向角裸塔氣動彈性模型試驗結果如圖3所示，由圖可知，裸塔氣彈模型在0°風向角下出現明顯的大幅順橋向渦激共振現象，最大實橋振動響應均方差達到1.28 m，渦振風速區間出現在12～32 m/s范圍內。隨著風速增長，當風速達到47 m/s 后，裸塔氣彈模型發生大幅發散性馳振現象。隨著風向角的增加，橋塔風致振動響應顯著降低，沒有發生明顯的渦激振動和馳振現象。

圖2 裸塔狀態試驗布置圖(0°風向角)Fig.2 Layout of bare pylon test(0° wind angle)

以上試驗表明，裸塔狀態在常遇風速下會出現渦激振動現象，且在高風速下會出現較危險的發散性馳振現象，在對裸塔進行施工時應特別注意。

3 橋塔塔吊組合體系均勻流場氣動彈性模型試驗

在裸塔施工時，施工方給出了在橋塔附近采用塔吊的方式進行施工。為考查施工時塔吊的存在對裸塔風致振動的影響。為此，針對橋塔塔吊組合體系進行了氣彈模型風洞試驗研究。鑒于安裝塔吊后組合結構為單向對稱結構，因此試驗過程中分別進行了0°，±15°，±30°，±60°，±90°風向角的測試試驗，試驗過程中組合結構阻尼為0.22%，試驗在均勻流中進行。

圖3 裸塔狀態下風振響應均方差(0°風向角)Fig.3 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(0° wind angle)

圖4 裸塔狀態風振響應均方差(15°風向角)Fig.4 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(15° wind direction angle)

圖5 裸塔狀態風振響應均方差(30°風向角)Fig.5 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(30° wind direction angle)

圖6 裸塔狀態風振響應均方差(60°風向角)Fig.6 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(60° wind direction angle)

圖7 裸塔狀態風振響應均方差(90°風向角)Fig.7 Mean square error of wind-induced response for bare pylon(90° wind angle)

圖8 橋塔及塔吊組合狀態試驗布置(0°風向角)Fig.8 Layout of test on combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

其中典型的均勻流中橋塔塔吊組合狀態0°風向角試驗布置如圖8所示，圖9給出了均勻流中橋塔塔吊組合狀態0°風向角下順橋向、橫橋向和扭轉的風振響應均方差。由圖可知，橋塔塔吊組合體系狀態在均勻流場中的風振響應相比裸塔狀態顯著減小，并且未發生渦激振動和馳振現象。針對在±15°，±30°，±60°，±90°風向角下，橋塔和塔吊組合體系下的響應也遠比裸塔狀態要小，且未發生渦激振動和馳振現象。以上結果表明，施工時塔吊的存在能抑制橋塔的渦激振動和馳振現象，這在一定程度上降低了橋塔施工的風險。另一方面，也反映了今后在考慮施工態下橋塔的施工安全時，不僅應考查裸塔狀態橋塔的渦振響應，還應考查橋塔和塔吊組合體系下的渦振響應。

圖9 橋塔及塔吊組合狀態風振響應均方差(0°風向角)Fig.9 Mean square error of wind-induced response of combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

針對上述塔吊的存在能抑制橋塔渦激振動現象，分析原因認為：由于塔吊是桁架結構體系，它的存在會對橋塔尾部規則的旋渦脫落產生干擾，從而使塔吊結構起到了抑制橋塔渦振和馳振的有利作用，并最終提高了橋塔和塔吊組合體系的氣動穩定性能。總之，在上述因素的綜合作用下，當塔吊存在時，橋塔的風致振動響應大大降低，表明塔吊的存在有利于提高橋塔的施工安全。

4 結論

本研究以某跨江大橋鋼橋塔和塔吊組合體系為工程背景，考查了裸塔狀態下和橋塔塔吊組合體系下各自的風致響應，主要結論如下：

(1)裸塔氣彈模型在0°風向角下出現較為明顯的大幅順橋向渦激共振現象，隨著風速增長，當風速達到47 m/s后，裸塔氣彈模型發生大幅發散性馳振現象。隨著風向角的增加，橋塔風致振動響應顯著降低，沒有發生明顯的渦激振動和馳振現象。

(2)在所有試驗風向角工況下，橋塔塔吊組合體系狀態在均勻流場中的風振響應相比裸塔狀態顯著減小，并且未發生渦激振動和馳振現象，表明塔吊的存在會抑制橋塔的風振響應。

(3)今后在考慮施工態下橋塔的施工安全時，不僅應考查裸塔狀態橋塔的渦激響應，還應考查橋塔和塔吊組合體系下的渦激響應。