挑臂式鋼箱梁抗風性能研究

童思雨 （同濟大學，上海 200092）

1 引言

為在充分滿足日益增長的交通通行能力需求的同時盡可能節省寶貴的橋位資源，近年來我國規劃建設了不少大跨度公鐵兩用橋梁。公鐵兩用橋梁能夠充分發揮鐵路橋和公路橋豎、橫向剛度互補的優勢，恰能滿足高速鐵路和高速公路對橋梁剛度的需求。公鐵兩用橋梁根據鐵路和公路的相對位置，可分為公鐵分層合建、公鐵平層合建以及公鐵分建三種形式。公鐵平層合建形式相較于通常采用的公鐵分層合建形式具有主梁高度小、受風面積小、橫向剛度大、減小引橋高度和規模等優勢，應用也逐漸增多，如金海特大橋、臨港長江大橋等。公鐵平層合建橋梁因其橋面寬度較大，常采用桁梁、T型梁等形式。金海特大橋主梁采用了一種新型的挑臂式鋼箱梁結構，該形式可使結構更加輕盈美觀，節省用鋼量，具有良好地經濟性和美觀性。

大跨度橋梁的抗風性能備受重視，公鐵平層合建橋梁因橋面寬度大，斷面繞流沿寬度方向變化差異較大。目前，對于公鐵平層合建橋梁的抗風性能研究還比較少，對于挑臂式鋼箱梁的抗風性能研究也多集中于公路橋。為研究采用挑臂式鋼箱梁的公鐵平層合建橋梁的抗風性能，本文以某公鐵平層合建斜拉橋為例，對其開展風洞試驗研究。該橋主橋為雙塔雙索面半漂浮體系斜拉橋，主橋全長 786m，跨徑布置為（66+160+388+166+56）m，主梁高4.73m，橋面全寬57.1m，兩側挑臂寬16.25m，挑臂間距為6m，主梁斷面如圖1所示。

圖1 主梁斷面布置（單位：mm）

2 結構動力特性分析

2.1 有限元模型

本文使用有限元分析軟件ANSYS建立了該橋的三維有限元模型（圖2）。模型采用脊骨梁形式，其中，主梁、橋塔和橋墩采用梁單元進行模擬；斜拉索采用桿單元進行模擬，同時考慮了拉索垂度效應的影響；橋面鋪裝、鐵路道砟等二期恒載和主梁的質量慣性矩采用質量單元進行模擬。

圖2 主橋有限元模型

2.2 結構動力特性

該橋成橋狀態和施工狀態的動力特性見表1。由表1可知：該橋的剛度較大，因此第一階豎彎頻率和扭轉頻率均較高，故該橋發生顫振和靜風失穩的可能性比較小；此外，由于該橋寬度較大，如果發生渦激共振則會嚴重影響公路、鐵路運行安全，需要特別重視。

結構動力特性（單位：Hz） 表1

3 主梁節段模型風洞試驗

3.1 節段模型設計

主梁節段模型幾何縮尺比為1：75，模型長1.74m，寬 0.761m，高 0.063m，阻尼比為0.003。模型采用PVC板、輕質木板和薄鋼板制作，護欄根據圖紙尺寸采用塑料板制作。試驗均在均勻流場條件下進行，主梁節段模型如圖3所示。

圖3 主梁節段模型

3.2 靜力三分力試驗

靜力三分力系數與橋梁的靜力穩定性和動力穩定性都有密切聯系，是研究橋梁抗風性能的重要基礎參數。試驗中風攻角為―12～+12，攻角變化步長=1，試驗結果取7.2m/s和10m/s兩種試驗風速下結果的平均值。主梁風軸坐標系下成橋狀態和施工狀態的靜力三分力系數隨攻角的變化見圖4和圖5，同時還比較了試驗結果和使用計算流體理力學（CFD）計算的靜力三分力系數結果的區別。

由圖4和圖5可知，除極個別風攻角外，成橋狀態和施工狀態的升力系數曲線斜率為正，根據準定常馳振理論，該橋不會發生馳振；CFD計算結果與試驗所得結果大體一致，表明CFD在計算主梁靜力三分力系數方面具有較高的可信度。

圖4 成橋狀態主梁靜力三分力系數

圖5 施工狀態主梁靜力三分力系數

3.3 顫振試驗

主梁顫振試驗對模型的成橋狀態和施工狀態的 -3、0、+3三種風攻角進行了顫振臨界風速測試，并根據試驗風速與實橋風速之比計算實橋的顫振臨界風速，試驗結果見表2。可知成橋狀態和施工狀態下主梁顫振臨界風速均遠大于相應的顫振檢驗風速，該橋在成橋階段和施工階段的顫振穩定性均滿足規范要求。

成橋狀態和施工狀態主梁顫振臨界風速試驗結果 表2

3.4 渦激共振試驗

對成橋狀態和施工狀態下-3、0和+3三種風攻角進行了主梁渦激共振試驗，試驗風速為0～8m/s，風速步長為0.5m/s，在渦振發生風速區間內控制風速步長為0.1m/s，以確保測得的渦激共振幅值較為準確。試驗結果表明，該橋在施工狀態下不會發生渦激共振，在成橋狀態下不會發生豎向渦振，但會發生渦振幅值不超過規范允許振幅的扭轉渦振。扭轉渦振試驗結果見圖5，其中，扭轉共振允許振幅為0.1213（根據《公路橋梁抗風設計規范》計算）。

從圖6中可以得知，節段模型在0攻角下渦振幅值最大，達到允許振幅的51%，其風速鎖定區間為24.31m/s～27.29m/s，考慮到該橋需要通鐵路，因此建議使用阻尼器適當增加阻尼或氣動控制措施降低扭轉渦激共振幅值。

圖6 成橋狀態主梁扭轉渦振幅值

4 結論

本文基于某公鐵平層合建挑臂鋼箱梁橋主梁節段模型風洞試驗，得到了以下主要結論：

①該橋成橋狀態和施工狀態在絕大多數攻角下升力系數斜率為正值，該橋馳振穩定性滿足要求；靜力三分力系數CFD數值計算結果與試驗結果大體一致，使用數值方法計算靜力三分力系數具有較高的可信度。

②成橋狀態和施工狀態的主梁顫振臨界風速遠高于相應的顫振檢驗風速，顫振穩定性滿足要求，且有較大富余。

③施工狀態主梁在不同風速和風攻角下未發生渦激共振現象；成橋狀態主梁在0攻角下會發生較為明顯地扭轉渦振現象，但振幅未超過規范允許振幅，考慮到該橋需要通鐵路，因此建議使用阻尼器或氣動控制措施降低扭轉渦振幅值。