廣東江順大橋抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究

劉志文　洪涵　梁立農(nóng)　萬志勇　薛亞飛　陳政清

摘要：采用風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)主跨700 m的廣東江順大橋主橋結(jié)構(gòu)抗風(fēng)性能進(jìn)行研究，包括主梁、橋塔氣動(dòng)參數(shù)試驗(yàn)與CFD模擬、主梁1/60幾何縮尺比節(jié)段模型測(cè)振試驗(yàn)、主梁1/25幾何縮尺比節(jié)段模型渦振試驗(yàn)、全橋氣彈模型試驗(yàn)研究等.結(jié)果表明：該橋在成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)具有足夠的抗風(fēng)穩(wěn)定性，在設(shè)計(jì)風(fēng)速下渦振性能和抖振響應(yīng)性能均滿足規(guī)范要求；大比例主梁節(jié)段模型得到的渦振振幅小于常規(guī)比例節(jié)段模型得到的渦振振幅，表明采用常規(guī)比例模型進(jìn)行橋梁主梁渦振性能評(píng)估是偏于保守的.

關(guān)鍵詞：斜拉橋；風(fēng)洞試驗(yàn)；計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)；抗風(fēng)性能

中圖分類號(hào)：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

隨著橋梁跨度的增大，其自振頻率、阻尼比等不斷降低，橋梁結(jié)構(gòu)對(duì)風(fēng)作用更加敏感，甚至成為大跨度橋梁設(shè)計(jì)的控制因素＼[1＼].陳艾榮等針對(duì)主跨1 088 m的蘇通長(zhǎng)江公路大橋的超長(zhǎng)索對(duì)大橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響、超大跨度斜拉橋主梁渦振性能以及超大跨度斜拉橋氣動(dòng)穩(wěn)定性和風(fēng)荷載等進(jìn)行了研究.研究表明：超大跨度斜拉橋斜拉索振動(dòng)對(duì)主橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響不容忽視；千米級(jí)斜拉橋雖然具有足夠的顫振穩(wěn)定性，但其顫振形態(tài)表現(xiàn)為索面、梁側(cè)向振動(dòng)與主梁彎扭顫振的耦合振動(dòng)形態(tài)；主梁檢修車軌道位置對(duì)主梁渦振性能影響較大，建議采用大幾何縮尺比模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證＼[2＼].Akiyama Haruki針對(duì)主跨890 m的多多羅大橋抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究，分別進(jìn)行了主梁節(jié)段模型試驗(yàn)（幾何縮尺比1/45）、橋塔自立狀態(tài)氣彈模型試驗(yàn)和全橋氣彈模型試驗(yàn)研究（幾何縮尺比分別為1/70和1/200，1/200全橋氣彈模型考慮了周邊地形的影響）.研究表明：多多羅大橋成橋和施工狀態(tài)顫振穩(wěn)定性均滿足要求，未觀測(cè)到明顯的索梁耦合振動(dòng)現(xiàn)象；主梁渦激振動(dòng)可以忽略，未采取相應(yīng)控制措施；設(shè)計(jì)風(fēng)速下風(fēng)致抖振響應(yīng)滿足要求＼[3＼].國(guó)內(nèi)多位學(xué)者針對(duì)大跨度斜拉橋抗風(fēng)性能進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究＼[4-9＼].閉口流線型箱梁斷面的渦振性能雷諾數(shù)效應(yīng)也是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的重點(diǎn).G. Schewe和A. Larsen在壓力風(fēng)洞中對(duì)丹麥大海帶東橋主梁斷面進(jìn)行了渦振試驗(yàn)研究，研究顯示影響主梁渦振的重要參數(shù)斯克拉頓數(shù)SC在雷諾數(shù)為8×104～4×105之間隨著雷諾數(shù)的增加而增加，認(rèn)為采用小尺度的風(fēng)洞試驗(yàn)換算到實(shí)橋進(jìn)行抗風(fēng)設(shè)計(jì)是偏于保守的＼[10＼].A. Larsen等針對(duì)香港昂船洲大橋的主梁斷面進(jìn)行了幾何縮尺比分別為1∶80和1∶20兩種模型試驗(yàn)研究，結(jié)果顯示不同幾何縮尺比模型渦振響應(yīng)存在差異，因此采用傳統(tǒng)常規(guī)比例節(jié)段模型（幾何縮尺比為1∶50～1∶80）對(duì)主梁渦振性能進(jìn)行研究是不夠的＼[11＼].張偉等針對(duì)西堠門大橋主梁斷面分別進(jìn)行了幾何縮尺比為1∶40和1∶20的主梁節(jié)段模型渦振試驗(yàn)研究，研究顯示低雷諾數(shù)試驗(yàn)所得的渦振振幅要大于高雷諾數(shù)試驗(yàn)所得的渦振振幅＼[12＼].鮮榮等分別采用幾何縮尺比為1∶50和1∶20的扁平箱梁節(jié)段模型進(jìn)行閉口流線型主梁渦振性能研究，研究顯示常規(guī)比例主梁節(jié)段模型與大尺度模型之間存在較大的差異，建議采用大尺度模型進(jìn)行主梁渦振性能研究＼[13-14＼].

綜合以上文獻(xiàn)可看出，對(duì)于大跨度斜拉橋而言，采用傾斜雙索面斜拉索體系和閉口流線型鋼箱梁主梁斷面形式，其顫振穩(wěn)定性基本可以達(dá)到要求，其抗風(fēng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)是主梁渦振性能與風(fēng)荷載效應(yīng)，且主梁模型幾何縮尺比對(duì)主梁渦振性能的影響不容忽視.本文結(jié)合在建的江順大橋，采用風(fēng)洞試驗(yàn)和CFD數(shù)值模擬相結(jié)合的方法對(duì)其抗風(fēng)性能進(jìn)行研究.

1工程概況

江順大橋位于廣東省江門至順德之間，跨越西江，是廣（州）佛（山）江（門）快速通道工程上的一座特大橋梁.主橋?yàn)橹骺?00 m的鋼混凝土混合梁斜拉橋，跨徑布置為60 m +176 m +700 m +176 m +60 m =1 172 m，主跨及次邊跨為閉口流線型鋼箱梁，邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，主梁寬為B=39.0 m，主梁中心處梁高為H=3.5 m，圖1所示為江順大橋主橋總體布置圖及主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖.

（a）主橋立面布置圖

（b）主梁標(biāo)準(zhǔn)斷面圖

根據(jù)該橋橋位氣象觀測(cè)及風(fēng)參數(shù)專題研究成果可知，橋位處每年7—10月份為臺(tái)風(fēng)多發(fā)期，影響該地區(qū)的臺(tái)風(fēng)次數(shù)平均為1.4次/年；大橋橋位基本風(fēng)速為V10=32.4 m/s，平均風(fēng)剖面指數(shù)為α=0.11.成橋狀態(tài)橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為Vd=37.1 m/s，施工重現(xiàn)期取10年，對(duì)應(yīng)施工階段設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為Vsd=31.2 m/s.采用ANSYS軟件對(duì)主橋成橋狀態(tài)及關(guān)鍵施工狀態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算，表1僅給出成橋狀態(tài)及最大單懸臂狀態(tài)前十階頻率與振型描述.

1.084 5

2主梁節(jié)段模型測(cè)振風(fēng)洞試驗(yàn)

2.1常規(guī)比例主梁節(jié)段模型試驗(yàn)

采用幾何縮尺比為λL=1/60的主梁節(jié)段模型進(jìn)行主橋顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn).主梁節(jié)段模型長(zhǎng)為L(zhǎng)= 1 800 mm，寬為B=650 mm，高為H=58 mm，模型長(zhǎng)寬比約2.769.

圖2（a）所示為主梁節(jié)段模型試驗(yàn)照片，表2所示為主梁節(jié)段模型試驗(yàn)參數(shù).表3所示為主橋成橋狀態(tài)及最大單懸臂施工狀態(tài)主橋結(jié)構(gòu)顫振臨界風(fēng)速結(jié)果匯總.由表3可知，成橋狀態(tài)及最大單懸臂施工狀態(tài)主橋顫振穩(wěn)定性均滿足要求，表明大橋具有足夠的顫振穩(wěn)定性.

2.2大比例主梁節(jié)段模型試驗(yàn)

考慮到本橋主梁結(jié)構(gòu)渦振發(fā)生的可能性以及模型構(gòu)造細(xì)節(jié)、風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸等因素，確定采用幾何縮尺比為1/25的主梁節(jié)段模型進(jìn)行該橋主梁渦振性能評(píng)估.模型長(zhǎng)為L(zhǎng)=3 000 mm，寬為B=1 560 mm，高為H=140 mm，模型長(zhǎng)寬比約1.923，模型阻塞率為δ=4.26%（為+5o風(fēng)攻角時(shí)的阻塞率），小于《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D6001—2004）要求值5%.試驗(yàn)在湖南大學(xué)HD2號(hào)風(fēng)洞中進(jìn)行，試驗(yàn)段尺寸為8 m（寬）×2 m（高）×15 m（長(zhǎng)），試驗(yàn)段風(fēng)速范圍為0～12 m/s，均勻流場(chǎng)紊流度小于1%，試驗(yàn)照片如圖2（b）所示，模型試驗(yàn)參數(shù)見表4.