佛山奇龍大橋抗風(fēng)性能研究

林繼喬

（佛山市路橋建設(shè)有限公司，廣東 佛山528313）

佛山奇龍大橋抗風(fēng)性能研究

林繼喬

（佛山市路橋建設(shè)有限公司，廣東 佛山528313）

以廣東佛山奇龍大橋?yàn)楣こ瘫尘?，研究混合梁?dú)塔斜拉橋在施工和成橋階段的抗風(fēng)性能。按照規(guī)范獲得了大橋的基本風(fēng)速、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速以及顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，并利用數(shù)值方法對(duì)大橋的成橋階段與施工最長(zhǎng)懸臂階段的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析。結(jié)合風(fēng)洞節(jié)段模型試驗(yàn)結(jié)果對(duì)其渦激振動(dòng)、氣動(dòng)穩(wěn)定性、三維靜風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，奇龍大橋新型的截面外形設(shè)計(jì)具有良好的抗風(fēng)穩(wěn)定性能，滿足相關(guān)規(guī)范要求。

斜拉橋；抗風(fēng)性能；數(shù)值計(jì)算；模型試驗(yàn)

1　工程概況

佛山市魁奇路東延線二期工程奇龍大橋主橋設(shè)計(jì)為獨(dú)塔斜拉橋，跨徑組合為66 m+69 m+260 m=395m，邊中跨比0.52，總體布置如圖1所示。采用雙索面布置，塔墩梁固結(jié)，邊墩設(shè)縱向活動(dòng)支座。橋面全寬40.5 m，主塔采用菱形橋塔，主塔塔身總高143 m，上塔柱高約118 m，下塔柱高約25 m。主梁在中跨近主塔處設(shè)置鋼混結(jié)合段，中跨247 m采用鋼箱梁，如圖2所示。邊跨采用預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，梁高3.5 m。為保證此類混合梁獨(dú)塔斜拉橋在整個(gè)施工以及運(yùn)營(yíng)期間的抗風(fēng)安全，結(jié)合國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究成果[1-5]，對(duì)大橋主橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究。本文總結(jié)了廣東佛山奇龍大橋抗風(fēng)性能研究的部分研究成果。

圖1　佛山奇龍大橋總體布置圖（單位：cm）

圖2　佛山奇龍大橋主跨鋼箱梁布置圖（單位：cm）

2　基本風(fēng)速、設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速、顫振檢驗(yàn)風(fēng)速的確定

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D60-01—2004）中的全國(guó)基本風(fēng)速分布圖和全國(guó)各氣象臺(tái)站的基本風(fēng)速值，奇龍大橋橋位處標(biāo)準(zhǔn)高度10 m、平均時(shí)距10 min、重現(xiàn)期100 a的基本風(fēng)速可以按照相鄰城市（廣州市）風(fēng)速較大值取為31.3 m/s。奇龍大橋橋位場(chǎng)地地表類別為B類，冪指數(shù)α= 0.16，由此可以得到主橋橋位10 m高度處的設(shè)計(jì)基本風(fēng)速為：

橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速可以按照式（2）確定：

式中：Z表示跨中橋面離開水面的高度；Z10表示標(biāo)準(zhǔn)高度，即 Z10=10 m；V10表示橋位10 m高度處設(shè)計(jì)基本風(fēng)速，即V10=31.3 m/s；α表示冪指數(shù)，取α=0.16。

橋面離水面高度按平均水位計(jì)算為z=28.9 m，則成橋狀態(tài)橋面高度處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為Vd=37.1m/s。施工期間，按照30 a重現(xiàn)期，則施工期間的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vsd=34.1 m/s。

成橋階段的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速可以按式（3）計(jì)算：

相應(yīng)的施工階段顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為：

3　結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

橋梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析是研究橋梁振動(dòng)問題的基礎(chǔ)。采用ANSYS有限元分析軟件對(duì)奇龍大橋的成橋狀態(tài)與最長(zhǎng)懸臂狀態(tài)的動(dòng)力特性進(jìn)行了分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)的總體布置以及構(gòu)造特點(diǎn)，建立全橋成橋狀態(tài)以及最長(zhǎng)單懸臂施工狀態(tài)的有限元模型，分別見于圖3（a）、圖3（b）。奇龍大橋采用全橋空間有限元模型，其中主梁采用梁?jiǎn)卧M，斜拉索采用空間桿單元模擬，二期恒載假設(shè)均勻分布于橋面系上，并考慮其平動(dòng)質(zhì)量和質(zhì)量慣矩。橋塔與主梁采用塔梁固結(jié)體系的結(jié)構(gòu)形式。

圖3　奇龍大橋動(dòng)力特性分析有限元模型

通過分析發(fā)現(xiàn)，大橋成橋狀態(tài)豎彎基頻為0.425 8 Hz，扭轉(zhuǎn)基頻為0.908 6 Hz，扭轉(zhuǎn)頻率比為2.13。豎彎等效質(zhì)量為36.249 t/m，扭轉(zhuǎn)等效質(zhì)量慣性矩為5 895.1 t·m2/m。

同樣，針對(duì)奇龍大橋施工最長(zhǎng)懸臂狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性計(jì)算結(jié)果顯示，施工狀態(tài)豎彎基頻為0.325 4 Hz，扭轉(zhuǎn)基頻為0.730 4 Hz，扭轉(zhuǎn)頻率比為2.24。豎彎等效質(zhì)量為26.46 t/m，扭轉(zhuǎn)等效質(zhì)量慣性矩為4 394.21 t·m2/m。

4　顫振試驗(yàn)研究

奇龍大橋位于B類風(fēng)環(huán)境區(qū)域，橫橋向橋面高度來(lái)流風(fēng)按照-3°～+3°范圍考慮。通過直接試驗(yàn)法測(cè)定的結(jié)構(gòu)在均勻流場(chǎng)中的顫振臨界風(fēng)速和實(shí)測(cè)的位移隨風(fēng)速增加的變化規(guī)律，考慮了成橋狀態(tài)與最長(zhǎng)單懸臂施工狀態(tài)兩種工況。圖4為節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)。根據(jù)實(shí)橋主梁斷面尺寸、風(fēng)洞試驗(yàn)尺寸和直接實(shí)驗(yàn)法要求，選取節(jié)段模型的縮尺比為1/70。

圖4　節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)

顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果表明：成橋狀態(tài)在風(fēng)攻角-3°、0°及+3°下的顫振臨界風(fēng)速最小值為128 m/s，高于該橋的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速58.4 m/s，因此顫振滿足規(guī)范要求。同樣施工狀態(tài)在風(fēng)攻角-3°、0°及+3°下的顫振臨界風(fēng)速最小值為125.6 m/s，高于該橋的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速53.8 m/s，因此顫振滿足規(guī)范中對(duì)顫振穩(wěn)定性的要求。表1為主梁斷面不同風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速結(jié)果。

表1　顫振臨界實(shí)橋風(fēng)速

5　渦激振動(dòng)試驗(yàn)

針對(duì)奇龍大橋成橋狀態(tài)原型斷面及各種氣動(dòng)外形進(jìn)行了節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn)，分別在均勻流場(chǎng)與紊流場(chǎng)中進(jìn)行，試驗(yàn)風(fēng)攻角為-3°～+3°。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）中的規(guī)定，成橋狀態(tài)扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅允許值與成橋狀態(tài)豎彎渦激共振振幅允許值分別為：

試驗(yàn)結(jié)果表明，原型斷面在均勻流場(chǎng)中發(fā)現(xiàn)了大幅渦激振動(dòng)，不能滿足規(guī)范要求。通過一系列氣動(dòng)外形的測(cè)試表明，降低欄桿基座高度并增設(shè)風(fēng)嘴可以抑制渦振。鑒于均勻流場(chǎng)下原始方案發(fā)生了渦激振動(dòng)，開展了低紊流場(chǎng)下的渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究，試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)渦激振動(dòng)，說明大橋在實(shí)際風(fēng)場(chǎng)中發(fā)生渦激振動(dòng)的可能性很低。

6　三維靜風(fēng)穩(wěn)定數(shù)值分析

大跨度纜索承重橋梁在靜風(fēng)荷載作用下，主梁發(fā)生彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。當(dāng)來(lái)流風(fēng)速超過臨界風(fēng)速時(shí)，隨著結(jié)構(gòu)變形的增大，結(jié)構(gòu)抗力的增加速度小于靜風(fēng)荷載增加速度，此時(shí)結(jié)構(gòu)發(fā)生靜風(fēng)失穩(wěn)。靜風(fēng)失穩(wěn)是靜風(fēng)荷載與結(jié)構(gòu)變形耦合作用的一種體現(xiàn)。采用計(jì)入三分力效應(yīng)的非線性有限元分析方法，通過全過程跟蹤計(jì)算出橋梁結(jié)構(gòu)在恒載和靜風(fēng)荷載共同作用下的主梁豎向、側(cè)向和扭轉(zhuǎn)位移隨風(fēng)速變化規(guī)律，并確定廣東佛山奇龍大橋獨(dú)塔雙索面斜拉橋結(jié)構(gòu)靜風(fēng)失穩(wěn)臨界風(fēng)速。三維靜風(fēng)穩(wěn)定性數(shù)值分析考慮成橋狀態(tài)-3°、0°和+3°三種風(fēng)攻角。分析計(jì)算結(jié)果見圖5所示。

圖5　成橋及施工狀態(tài)+3°風(fēng)攻角主梁扭轉(zhuǎn)角變化情況

計(jì)算結(jié)果表明，奇龍大橋成橋狀態(tài)與施工最長(zhǎng)懸臂狀態(tài)的三維靜風(fēng)穩(wěn)定性能良好，在0°、+3°、-3°風(fēng)攻角時(shí)在150 m/s以內(nèi)未發(fā)生靜風(fēng)失穩(wěn)，橋梁滿足靜風(fēng)穩(wěn)定性要求。

7　結(jié)　論

通過針對(duì)奇龍大橋節(jié)段模型試驗(yàn)、抗風(fēng)數(shù)值分析，對(duì)大橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了全面評(píng)價(jià)，可以得到以下結(jié)論：

（1）奇龍大橋成橋狀態(tài)與最長(zhǎng)單懸臂施工狀態(tài)的顫振臨界風(fēng)速均高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，滿足顫振穩(wěn)定性要求。

（2）在均勻流場(chǎng)中，觀測(cè)到了豎彎和扭轉(zhuǎn)渦振現(xiàn)象，然而在低紊流場(chǎng)中，渦振現(xiàn)象消失。這表明紊流對(duì)于渦振有較好的抑制作用，可以認(rèn)為位于自然風(fēng)場(chǎng)中成橋狀態(tài)下發(fā)生渦振現(xiàn)象的可能性較低。進(jìn)一步氣動(dòng)外形優(yōu)化試驗(yàn)表明，降低欄桿高度、改變風(fēng)嘴外形可以有效地抑制渦激振動(dòng)。

（3）奇龍大橋成橋狀態(tài)與施工最長(zhǎng)懸臂狀態(tài)的三維靜風(fēng)穩(wěn)定性能良好，在0°、+3°、-3°風(fēng)攻角時(shí)在150 m/s以內(nèi)未發(fā)生靜風(fēng)失穩(wěn)現(xiàn)象，橋梁滿足靜風(fēng)穩(wěn)定性要求。

[1]余俊林，宋錦忠，丁望星.湖北鄂東長(zhǎng)江公路大橋抗風(fēng)穩(wěn)定性能研究[J].橋梁建設(shè)，2009(1)：29-32．

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[5]張偉，葛耀君.導(dǎo)流板對(duì)大跨度橋梁風(fēng)振響應(yīng)影響的流場(chǎng)機(jī)理[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào)，2004，22(3)：52-57.

中國(guó)最長(zhǎng)湖底隧道開通

東湖湖底隧道歷時(shí)3年時(shí)間于2015年12月28上午10時(shí)正式開通。這條東湖隧道穿過中國(guó)最大的城中湖——武漢東湖，建成通車后是我國(guó)目前最長(zhǎng)的湖底隧道。

東湖通道起于二環(huán)線水東段主線高架橋（紅廟立交），止于喻家湖路（喻家山北路路口），全長(zhǎng)約10.634 km。其中，東湖隧道段長(zhǎng)7.035 km，為我國(guó)目前最長(zhǎng)的湖底隧道。工程主線為雙向6車道，設(shè)計(jì)車速為60 km/h。

東湖通道項(xiàng)目于2012年10月27日正式開工，總投資為78.38億元，其中東湖隧道段橫貫東湖風(fēng)景區(qū)，總投資約為63億元，隧道建設(shè)以保護(hù)東湖風(fēng)景區(qū)的水質(zhì)和生態(tài)為設(shè)計(jì)理念。

東湖通道串起了武昌和光谷，通車后成為武昌直達(dá)光谷的快速路，為擁堵不堪的武珞路—珞喻路“分憂解愁”。東湖未來(lái)還將建設(shè)一條植物園隧道，從花山嚴(yán)西湖大橋下穿，穿過東湖到光谷魯磨路，設(shè)計(jì)雙向6車道，將與東湖隧道呈交叉之勢(shì)。在東湖隧道建設(shè)過程中，已預(yù)留了植物園隧道口，為將來(lái)的施工提供便利。

U441

B

1009-7716（2016）02-0104-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.027

2015-12-02

林繼喬(1962-)，男，江蘇揚(yáng)中人，高級(jí)工程師，副總經(jīng)理兼總工，從事橋梁設(shè)計(jì)、施工及管理工作。