山區(qū)峽谷中大跨度鋼桁梁斜拉橋抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究

周霆 李沁峰

摘要：為研究山區(qū)峽谷中鋼桁架主梁抗風(fēng)性能，文章以主跨680 m的大跨度鋼桁梁斜拉橋?yàn)楸尘埃槍?duì)鋼桁架主梁制作節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，主要研究主梁的關(guān)鍵氣動(dòng)參數(shù)，評(píng)價(jià)其渦振及顫振性能。結(jié)果表明：主梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動(dòng)穩(wěn)定的必要條件。+3°、+5°風(fēng)攻角時(shí)，主梁分別出現(xiàn)了1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)以及1個(gè)豎向、1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，渦振風(fēng)速區(qū)間為20～25 m/s，主梁豎向渦振最大振幅為20 mm;+3°、+5°風(fēng)攻角時(shí)，主梁扭轉(zhuǎn)渦振最大振幅分別為0.074 7°和0.131 8°，均小于規(guī)范允許值。+5°風(fēng)攻角時(shí)主梁的顫振臨界風(fēng)速為61.43 m/s，高于顫振臨界風(fēng)速。

[作者簡(jiǎn)介]周霆（1975—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事大跨度橋梁設(shè)計(jì)工作。

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家，山區(qū)峽谷地區(qū)地形復(fù)雜，導(dǎo)致交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于中部平原地區(qū)。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，人民對(duì)交通的需求不斷增長(zhǎng)，在我國(guó)西部山區(qū)建設(shè)大跨度橋梁跨越深切峽谷具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。但是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)柔、剛度小、阻尼低，是風(fēng)致響應(yīng)的敏感結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)風(fēng)的作用，容易出現(xiàn)靜風(fēng)失穩(wěn)和顫振現(xiàn)象，因此須通過專門的抗風(fēng)分析檢驗(yàn)橋梁的風(fēng)荷載，并保證該橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性。

斜拉橋跨越能力大、受力合理、便于施工等特點(diǎn)，在西部山區(qū)建設(shè)大跨度斜拉橋是較好的選擇之一。鋼桁架主梁結(jié)構(gòu)剛度大、透風(fēng)率高，目前許多大跨度橋梁均采用此種斷面形式，如日本明石海峽大橋、我國(guó)的紅軍赤水河大橋、大渡河大橋、楊泗港長(zhǎng)江大橋等。但是，鋼桁架截面相對(duì)較鈍，可能發(fā)生渦激振動(dòng)或顫振[1-3]，影響結(jié)構(gòu)的安全性和乘車舒適性，成為了國(guó)內(nèi)外專家研究的熱點(diǎn)。王凱[4-5]、徐愛軍等[6]給出了典型山區(qū)峽谷橋址處設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)選取方法，對(duì)比了兩種大跨度鋼桁架主梁的顫振性能，并提出設(shè)置氣動(dòng)翼板或格柵式封閉原主梁的中央開槽的氣動(dòng)措施。徐洪濤[7]、胡峰強(qiáng)[8]給出了山區(qū)峽谷中橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的選取方法，以及鋼桁架主梁的風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷脑O(shè)計(jì)方法，并對(duì)山區(qū)大跨度鋼桁梁橋顫振性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。白樺[9]、崔欣[10]等針對(duì)窄幅鋼桁梁橋的顫振性能進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究，認(rèn)為抗風(fēng)纜、中央扣及欄桿可提高鋼桁梁的顫振臨界風(fēng)速。

與平原地區(qū)不同，山區(qū)峽谷地形復(fù)雜，傳統(tǒng)的橋梁設(shè)計(jì)風(fēng)速的選取方法不再適用，可能給橋梁渦激振動(dòng)及顫振性能的分析帶來一定誤差。本文基于山區(qū)大跨度鋼桁梁斜拉橋，計(jì)算得到設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，分析鋼桁架主梁的關(guān)鍵氣動(dòng)參數(shù)，研究其渦振及顫振性能，為山區(qū)峽谷同類橋梁設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

該橋?yàn)橹骺?80 m的大跨度鋼桁梁斜拉橋，其孔徑布置為（304+680+304） m，橋塔采用混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用鋼桁架梁。主跨主梁斷面寬25.5 m，高6.8 m。具體橋型布置及主梁截面如圖1所示。橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率及振型如表1所示。

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》 [11]，按該橋一階自振頻率計(jì)算主梁的渦振振幅允許值。主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)渦振振幅允許值分別為0.171 m和 0.236°。

2 設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)

橋位處于屏山新市與金陽(yáng)縣之間，可以取周邊氣象站的參考數(shù)據(jù)，橋位距離規(guī)范上列舉的氣象站宜賓、雷波、昭覺距離較近，可以取風(fēng)速資料較大者，根據(jù)國(guó)家氣象資料，截止到2015年，可以推算到昭覺百年一遇基本風(fēng)速為26.6 m/s。橋位地處山區(qū)峽谷，不能以常規(guī)的風(fēng)速對(duì)數(shù)律或者指數(shù)律換算得到橋面設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，可以按照CFD計(jì)算獲得最大平均修正系數(shù)進(jìn)行折算，折算后該橋主梁高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為32.45 m/s。橋梁處于山區(qū)，可以歸為D類地表（表2）。

3 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)

為了解該橋主梁的抗風(fēng)性能，制作主梁節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。節(jié)段模型的幾何縮尺比為1∶47.2，模型長(zhǎng)2.095 m、寬0.144 m、高0.593 m，長(zhǎng)寬比為14.5。主梁采用優(yōu)質(zhì)木材及塑料板制作，梁上的內(nèi)、外側(cè)防撞護(hù)欄等附屬構(gòu)件均采用工程塑料且由數(shù)控雕刻機(jī)制作而成。節(jié)段模型通過8根彈簧懸掛于洞壁外的支架上。風(fēng)洞中的節(jié)段模型如圖2所示，主要試驗(yàn)參數(shù)如表3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 靜力三分力系數(shù)

為了分析主梁斷面的氣動(dòng)性能，通過風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)量了主梁的靜力三分力系數(shù)。試驗(yàn)在XNJD-1風(fēng)洞試驗(yàn)室進(jìn)行，均勻流場(chǎng)中，風(fēng)攻角為-12～12°，風(fēng)速為15 m/s，在體軸坐標(biāo)系中的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。在體軸坐標(biāo)系中，以水平方向?yàn)闄M軸，豎向?yàn)榭v軸。從圖中可以看出，主梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動(dòng)穩(wěn)定的必要條件。主梁力矩系數(shù)接近于0，受攻角影響較小;0°攻角時(shí)主梁的阻力系數(shù)為1.486，且阻力系數(shù)隨攻角變化相對(duì)較大，其最大值為1.695，最小值為1.295。

4.2 渦振性能

首先，設(shè)定橋梁的豎向阻尼比為0.67 %、扭轉(zhuǎn)阻尼比為0.40 %;其次，進(jìn)行0°、±3°和±5°風(fēng)攻角下的試驗(yàn)。不同風(fēng)攻角時(shí)，主梁渦振響應(yīng)如圖4所示，表4列出了具體的渦振統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

由結(jié)果可知：-5°、-3°和0°風(fēng)攻角下，主梁沒有出現(xiàn)渦振現(xiàn)象;+3°、+5°風(fēng)攻角下，主梁分別出現(xiàn)了1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)、1個(gè)豎向渦振區(qū)和1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū);渦振區(qū)風(fēng)速均為20～25 m/s，主梁豎向渦振最大振幅為20 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值;+3°、+5°風(fēng)攻角時(shí)，主梁扭轉(zhuǎn)渦振最大振幅分別為0.074 7°和0.131 8°，小于規(guī)范允許值。這說明對(duì)于主梁來說，正攻角工況比負(fù)攻角工況更加危險(xiǎn)，這可能是因?yàn)橹髁簲嗝孑^鈍，加上欄桿、橋面鋪裝等的作用，正攻角時(shí)主梁尾部形成周期性脫落的漩渦，出現(xiàn)了渦激共振現(xiàn)象，而負(fù)攻角抑制了漩渦的脫落，未出現(xiàn)渦激振動(dòng)現(xiàn)象。

4.3 顫振性能

考慮到主梁斷面的顫振臨界風(fēng)速對(duì)風(fēng)攻角的敏感性，節(jié)段模型動(dòng)力試驗(yàn)分別在0°、±3°、±5°五種攻角情況下，在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行，橋梁的豎向阻尼比為0.40 %、扭轉(zhuǎn)阻尼比為0.22 %，橋梁主梁成橋狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速測(cè)試結(jié)果如表5所示。試驗(yàn)中獲得了+5°風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速為61.43 m/s;在0°、+3°、-3°、-5°攻角時(shí)，主梁來流風(fēng)作用下有較大的靜位移，但并未觀察到明顯風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)際臨界風(fēng)速要大于最大試驗(yàn)風(fēng)速。試驗(yàn)結(jié)果表明，大橋成橋狀態(tài)在0°、±3°、±5°五種攻角下的顫振臨界風(fēng)速均大于該橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，該橋能夠滿足顫振穩(wěn)定性的要求。

橋梁顫振發(fā)生形態(tài)并不是單純的豎彎基頻和扭轉(zhuǎn)基頻相互耦合的形態(tài)，它往往是多個(gè)振型共同參與的結(jié)果，這時(shí)發(fā)展三維多模態(tài)耦合顫振分析理論就顯得十分必要的。本文基于三維多模態(tài)參與單參數(shù)搜索M-S法，編制三維耦合顫振分析程序，對(duì)大橋的三維顫振臨界風(fēng)速進(jìn)行計(jì)算，具體計(jì)算結(jié)果如表6所示。

5 結(jié)論

以山區(qū)大跨度鋼桁梁斜拉橋?yàn)楸尘埃ㄟ^節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究鋼桁架主梁氣動(dòng)參數(shù)、渦振及顫振性能，得出結(jié)論：

（1） 橋梁主梁高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為32.45 m/s，橋梁一階對(duì)稱豎彎頻率為0.233 8 Hz，一階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率為0.698 7 Hz。主梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動(dòng)穩(wěn)定的必要條件。

（2）+3°、+5°風(fēng)攻角下，主梁分別出現(xiàn)了1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)及1個(gè)豎向、1個(gè)扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，渦振區(qū)風(fēng)速均為20～25 m/s，主梁豎向渦振最大振幅為20 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值;+3°、+5°風(fēng)攻角時(shí)，主梁扭轉(zhuǎn)渦振最大振幅分別為0.074 7°和0.131 8°，小于于規(guī)范允許值。

（3） +5°風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速為61.43 m/s，且大于顫振臨界風(fēng)速;在0°、+3°、-3°、-5°攻角時(shí)，主梁來流風(fēng)作用下有較大的靜位移，但并未觀察到明顯風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，實(shí)際臨界風(fēng)速要大于最大試驗(yàn)風(fēng)速。

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