山區(qū)峽谷大跨鋼桁梁橋抗風(fēng)特性試驗(yàn)研究

王 凱，廖海黎，劉 君

（西南交通大學(xué) 風(fēng)工程試驗(yàn)研究中心，成都 610031）

迄今國(guó)內(nèi)外關(guān)于橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)的研究，往往是圍繞寬闊的場(chǎng)地諸如平原、沿海地區(qū)的大跨徑橋梁進(jìn)行，關(guān)于山區(qū)峽谷的大跨徑橋梁，特別是鋼桁梁橋的抗風(fēng)問(wèn)題研究還不成熟［1］。由于山地地形起伏影響，氣流可能呈波浪狀，自然風(fēng)的非平穩(wěn)特性將對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常不利影響。由于觀測(cè)資料匱乏和規(guī)范的局限性，如果按照常規(guī)的方法得出的設(shè)計(jì)風(fēng)速，進(jìn)而按照這些風(fēng)速參數(shù)進(jìn)行抗風(fēng)檢驗(yàn)，有可能得出不安全的結(jié)果。本文以兩座山區(qū)大跨度鋼桁梁橋（壩陵河大橋和抵母河大橋）為例，研究山區(qū)峽谷橋位風(fēng)環(huán)境的特殊性、大跨鋼桁梁橋可能出現(xiàn)的風(fēng)致振動(dòng)及針對(duì)山區(qū)鋼桁梁橋所提出的控制顫振的措施［2］。

圖1 壩陵河大橋橋型布置圖Fig．1 Arrangement of baling river bridge

壩陵河大橋和抵母河大橋是兩座大型鋼桁梁懸索橋。兩座大橋均跨越大峽谷，峽谷兩岸地勢(shì)陡峭，地形變化急劇，起伏很大，河谷深達(dá)幾百米，兩座橋同處喀斯特地貌，橋位區(qū)氣象條件相近，都為典型的山區(qū)峽谷風(fēng)。壩陵河大橋?yàn)橹骺? 088 m的鋼桁梁懸索橋，主梁寬28 m，高10 m（圖1）。抵母河大橋?yàn)橹骺?38 m的鋼桁梁懸索橋，主梁寬27 m，由梁高4．5 m的鋼桁梁及鋪在其上的0．8 m高的正交異性板組成（圖2）。由于兩座大橋跨度大、結(jié)構(gòu)自振頻率低，對(duì)風(fēng)的作用特別敏感，顫振穩(wěn)定性成為橋梁設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題，也是我國(guó)西部山區(qū)復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性的典型問(wèn)題。

圖2 抵母河大橋橋型布置圖Fig．2 Arrangement of dimu river bridge

1 橋位風(fēng)參數(shù)

兩座橋梁橋址處為西南山區(qū)典型的峽谷地貌，橋梁兩岸為懸崖峭壁，自然風(fēng)經(jīng)峽谷的狹管效應(yīng)放大和縮小、反轉(zhuǎn)和折回后，將產(chǎn)生眾多渦旋，從而變得極為復(fù)雜。為了準(zhǔn)確把握橋址處的實(shí)際風(fēng)環(huán)境，針對(duì)壩陵河大橋，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)（圖3）、CFD數(shù)值模擬計(jì)算（圖4）及橋位區(qū)地形試驗(yàn)（圖5），確定了壩陵河大橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為24．90 m／s。

抵母河大橋根據(jù)從《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中查出橋位200 km范圍內(nèi)十個(gè)地區(qū)的最大風(fēng)速和對(duì)應(yīng)的百年風(fēng)速，應(yīng)用統(tǒng)計(jì)學(xué)中Gumbel Type I極值分布計(jì)算得到橋位處基本風(fēng)速［3］為 26．92 m／s。

圖3 觀測(cè)塔架現(xiàn)場(chǎng)Fig．3 Observation tower at the bridge site

圖4 計(jì)算區(qū)域地形三維視圖Fig．4 Calculation area 3d view

圖5 風(fēng)洞中的地形模型Fig．5 Terrain model in wind tunnel

由于大橋位于山區(qū)峽谷，橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的確定還需要考慮山區(qū)峽谷的影響，即山區(qū)峽谷對(duì)基本風(fēng)速的修正。假設(shè)大橋橋址處“虛擬”標(biāo)準(zhǔn)氣象站的基本風(fēng)速為峽谷進(jìn)口風(fēng)速，對(duì)于建于峽谷處的橋梁，可以借用以下經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式獲得設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速［4］：

式中：ud為建于峽谷上口處橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速；u10為橋位虛擬氣象站的基本風(fēng)速，即設(shè)為峽谷進(jìn)口風(fēng)速；H為峽谷深度，當(dāng)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(zhǎng)度；B2為峽谷下底面寬度；κ為山谷效應(yīng)修正系數(shù)。由式（1）計(jì)算出抵母河大橋設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為34．80 m／s。

2 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1 靜力試驗(yàn)

靜力三分力系數(shù)是表征結(jié)構(gòu)斷面在平均風(fēng)作用下受力大小的無(wú)量綱系數(shù)，它反映了風(fēng)對(duì)橋梁的定常氣動(dòng)作用。目前隨著理論發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)步，人們很多時(shí)候采用CFD技術(shù)計(jì)算某些斷面的三分力系數(shù)，但是對(duì)于桁架主梁，計(jì)算結(jié)果往往與實(shí)際存在明顯差距，因此對(duì)于桁架主梁，風(fēng)洞試驗(yàn)仍然是必須的。風(fēng)軸坐標(biāo)系下的靜力三分力系數(shù)按下式定義：

壩陵河大橋主梁每個(gè)節(jié)間10．8 m，考慮到模型每個(gè)桁架節(jié)間長(zhǎng)度，模型采用1∶47．5幾何縮尺比，抵母河大橋主梁每個(gè)節(jié)間7 m，模型采用1∶50幾何縮尺比。圖6和圖7分別為壩陵河大橋和抵母河大橋鋼桁架主梁斷面。

圖6 壩陵河大橋主梁斷面Main beam cross section of baling river bridge

試驗(yàn)在均勻流條件下進(jìn)行，試驗(yàn)攻角為：α＝－12°～＋12°，Δα＝1°。對(duì)壩陵河大橋主梁和抵母河大橋主梁標(biāo)準(zhǔn)梁段在成橋狀態(tài)時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)試風(fēng)速為15 m／s，主梁成橋狀態(tài)試驗(yàn)結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖7 抵母河大橋主梁斷面Fig．7 Main beam cross section of dimu river bridge

圖8 壩陵河大橋主梁三分力系數(shù)Fig．8 Curves of three component force coefficients of baling river bridge

2.2 動(dòng)力試驗(yàn)

動(dòng)力節(jié)段模型是用彈簧（模擬橋梁其余部分對(duì)主梁節(jié)段的彈性約束作用）將節(jié)段模型懸掛在風(fēng)洞中進(jìn)行試驗(yàn)，彈簧常數(shù)由相似條件決定。試驗(yàn)可以檢驗(yàn)橋梁主梁在不同攻角下發(fā)生顫振的臨界風(fēng)速和是否發(fā)生渦激振動(dòng)，及渦激振動(dòng)的發(fā)振風(fēng)速、振幅以及主梁截面的斯脫羅哈數(shù)，從而對(duì)主梁的顫振和渦振性能做出評(píng)價(jià)［5－6］。

試驗(yàn)在均勻流中進(jìn)行，取阻尼比為0．5%，考慮到峽谷對(duì)來(lái)流攻角的影響，分別進(jìn)行了 －3°、－2°、－1°0°、＋1°、＋2°、＋3°五種攻角情況下的試驗(yàn)（圖10和圖11）。兩座橋梁都沒(méi)有發(fā)現(xiàn)豎向和扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)。兩座橋梁的顫振風(fēng)速見(jiàn)表1，從表中可以看出壩陵河大橋主梁在－2°和－3°攻角下，顫振臨界風(fēng)速小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，在0°攻角下的富余量很小，主梁斷面需要進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)；抵母河大橋主梁在＋3°攻角下，顫振臨界風(fēng)速小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，不滿足橋梁設(shè)計(jì)要求。因此需要對(duì)兩座大橋的主梁進(jìn)行氣動(dòng)優(yōu)化試驗(yàn)。

圖10 壩陵河大橋節(jié)段模型Fig．10 Section model of baling river bridge

圖11 抵母河大橋節(jié)段模型Fig．11 Section model of dimu river bridge

表1 橋梁顫振臨界風(fēng)速Tab．1 Flutter critical wind speed of the two bridges

3 主梁氣動(dòng)優(yōu)化試驗(yàn)研究

依據(jù)節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果，壩陵河大橋主梁和抵母河大橋主梁在部分攻角范圍內(nèi)，顫振臨界風(fēng)速小于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。為了使大橋在山區(qū)特定條件下的顫振特性滿足設(shè)計(jì)要求，避免因風(fēng)致顫振引起的橋梁破壞事件發(fā)生，需要利用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)兩座大橋主梁的氣動(dòng)外形進(jìn)行一系列的風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

3.1 壩陵河大橋主梁氣動(dòng)優(yōu)化

針對(duì)壩陵河大橋，進(jìn)行了單層翼板（圖12）和雙層翼板（圖13）加勁梁節(jié)段模型兩種方案的試驗(yàn)研究，兩種翼板都是按照?qǐng)D中截面，沿橋梁縱向通長(zhǎng)布置。試驗(yàn)中還把橋面開(kāi)槽封住的斷面進(jìn)行了顫振試驗(yàn)，和橋面開(kāi)槽與氣動(dòng)翼板組合的氣動(dòng)控制措施進(jìn)行對(duì)比。雙層翼板通過(guò)下檢修道上的立柱支承，由ABS板打磨而成，截面為長(zhǎng)軸23．3 mm，短軸2．5 mm的橢圓形。部分試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

圖12 帶單層翼板的桁架梁斷面Fig．12 Truss beam section with single wing plate

圖13 帶雙層翼板的桁架梁斷面Fig．13 Truss beam section with double wing plate

表2 雙層翼板與橋面開(kāi)槽組合斷面顫振臨界風(fēng)速Tab．2 Flutter divergence wind speed when unsealed groove and double aerodynamic wing plate have worked together

通過(guò)一系列節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究可知，在橋面開(kāi)槽的桁架梁斷面上設(shè)置不同形式的氣動(dòng)翼板對(duì)顫振穩(wěn)定性的影響差別很大。氣動(dòng)翼板的顫振控制效果比較明顯，且受風(fēng)攻角和翼板層數(shù)影響比較大。單層翼板在合適的位置可使最低顫振臨界風(fēng)速提高15%。雙層翼板在0°風(fēng)攻角效果比較好，最高可使原開(kāi)槽斷面臨界風(fēng)速提高48%，且翼板的安裝位置對(duì)氣動(dòng)翼板的顫振控制效果有影響。

表3 氣動(dòng)優(yōu)化方案Tab．3 Aerodynamic optimization programs

3.2 抵母河大橋主梁氣動(dòng)優(yōu)化

為選擇出最優(yōu)方案，試驗(yàn)中選擇最不利攻角＋3°進(jìn)行優(yōu)化試驗(yàn)，橋梁斷面的優(yōu)化方案（表3中圖示的紅色部分）及結(jié)果如表3（表中數(shù)據(jù)均換算到實(shí)橋）所示［7－9］。

從表3可知，通過(guò)一系列優(yōu)化節(jié)段試驗(yàn)［10－12］，各方案對(duì)提高主梁的顫振發(fā)散風(fēng)速都有一定作用，但是效果各不相同，結(jié)果如下：

（1）只設(shè)置水平導(dǎo)流板、只全封閉橋面中央開(kāi)槽或者只格柵封閉橋面中央開(kāi)槽，主梁的顫振發(fā)散風(fēng)速對(duì)比原主梁斷面只提高了2～3 m／s，對(duì)主梁的氣動(dòng)性能基本沒(méi)有提高，且水平導(dǎo)流板的設(shè)置使橋梁的美觀性受到很大影響。

（2）全封閉橋面中央開(kāi)槽，且設(shè)置0．55 m或1．1 m兩種高度的上中央穩(wěn)定板，主梁的顫振發(fā)散風(fēng)速有了一定提高，中央穩(wěn)定板越高，顫振發(fā)散風(fēng)速越高，但是都低于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，上中央穩(wěn)定板的設(shè)置也對(duì)橋梁的美觀影響很大。

圖14 抵母河大橋橋面封槽板平面示意圖 ／mmFig．14 Use grille seal the groove of main beam of dimu river bridge

圖15 抵母河大橋中央穩(wěn)定板設(shè)置示意圖Fig．15 Center stabilized plate of dimu river bridge

（3）全封閉橋面中央開(kāi)槽，且設(shè)置1 m或1．5 m或1．75 m或2 m四種高度的間斷式下中央穩(wěn)定板，主梁的顫振發(fā)散風(fēng)速都有提高，當(dāng)中央穩(wěn)定板低于1．75 m時(shí)，顫振發(fā)散風(fēng)速隨著中央穩(wěn)定板高度的增加而增加，但是當(dāng)中央穩(wěn)定板高于1．75 m以后，主梁的顫振發(fā)散風(fēng)速不再增加，因此在全封閉橋面中央開(kāi)槽時(shí)，中央下穩(wěn)定板最高設(shè)置為1．75 m，此時(shí)顫振發(fā)散風(fēng)速為63 m／s，但是中央穩(wěn)定板設(shè)置太高，既浪費(fèi)材料又給施工安裝增加了難度，還影響橋梁美觀。

（4）格柵封閉橋面中央開(kāi)槽，設(shè)置1 m高度的間斷式下中央穩(wěn)定板，通過(guò)幾個(gè)方案的試驗(yàn)，當(dāng)格柵透風(fēng)率為50%，格柵間斷設(shè)置，中央穩(wěn)定板的上緣緊貼主桁上橫梁上表面時(shí)，主梁的顫振發(fā)散風(fēng)速為64 m／s，這樣的方案，在封閉橋面中央開(kāi)槽處和中央穩(wěn)定板設(shè)置處都節(jié)省了材料，且穩(wěn)定板高度也降低到1 m，減少了主梁的風(fēng)荷載，也便于施工安裝。

綜合以上分析，抵母河大橋采用以下優(yōu)化措施：格柵式封閉原主梁的中央開(kāi)槽、設(shè)置下中央穩(wěn)定板。格柵采用50%的透風(fēng)率（圖9）；中央穩(wěn)定板高1 m，穩(wěn)定板上緣緊貼主桁上橫梁上表面，穩(wěn)定板間斷布置，在桁架梁上橫梁處斷開(kāi)（圖10）。

4 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)壩陵河大橋和抵母河大橋風(fēng)參數(shù)的選取、節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)及抑振措施試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）橋梁的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、CFD數(shù)值模擬計(jì)算、橋位區(qū)地形試驗(yàn)或數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)分析等方法確定。

（2）不同的桁架主梁，即使主梁寬度接近，主梁氣動(dòng)力也相差很遠(yuǎn)，且桁架主梁的氣動(dòng)力最好通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)獲得。

（3）對(duì)于山區(qū)大跨度鋼桁梁懸索橋，顫振穩(wěn)定性成為橋梁設(shè)計(jì)的控制因素，主梁的顫振穩(wěn)定性一般滿足不了設(shè)計(jì)要求，一般需要進(jìn)行氣動(dòng)外形優(yōu)化。

（4）設(shè)置氣動(dòng)翼板或中央穩(wěn)定板，都有助于提高主梁顫振發(fā)散風(fēng)速，氣動(dòng)翼板和中央穩(wěn)定板安裝的位置、高度等對(duì)顫振發(fā)散風(fēng)速影響較大，需通過(guò)試驗(yàn)確定氣動(dòng)翼板和中央穩(wěn)定板安裝的位置、高度和是否通長(zhǎng)設(shè)置等參數(shù)。

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