山區(qū)大跨斜拉橋懸臂施工期風振響應實測

劉志文+丁冬+賈亞光+陳政清

摘 要：針對湖南郴州赤石大橋施工期橋位風特性及風致振動響應進行了現(xiàn)場實測與分析.對觀測期大風天氣橋面高度及橋塔塔頂處平均風速、風向、風攻角及紊流度等風特性參數(shù)進行了分析，并對橋梁結構風致振動響應進行了分析.結果表明：當風從北側吹時風攻角變化范圍較大，而當風從南側吹時風攻角變化范圍較小；橋梁結構主梁雙懸臂施工期在大風作用下風振響應主要表現(xiàn)為“整體側彎”以及“整體豎擺”振動； 橋梁懸臂施工期結構自振頻率實測值與有限元分析結果吻合較好.

關鍵詞：山區(qū)地形；斜拉橋；風特性；風振響應；現(xiàn)場實測

中圖分類號：U448.27 文獻標志碼：A

隨著我國交通基礎設施建設的進一步推進，跨海灣、山區(qū)峽谷大跨橋梁將逐漸成為今后若干時期內(nèi)大跨橋梁建設的重點.目前我國已有多座已建或在建的跨越山區(qū)峽谷的大跨橋梁，如貴州壩陵河大橋、湖南矮寨大橋、湖北四渡河大橋、云南普立大橋、湖南赤石大橋等.大跨斜拉橋多采用懸臂施工法進行建造，其在主梁懸臂施工期結構自振頻率較低，在大風作用下易發(fā)生振動，因此大跨斜拉橋施工期風致振動問題是該類橋梁抗風設計重點關注內(nèi)容之一.

山區(qū)峽谷橋址風場特性與沿海及平原地區(qū)橋址風場特性有明顯的區(qū)別，山區(qū)峽谷橋位風特性復雜、具有陣風大、湍流度大和非平穩(wěn)性等特點.復雜山區(qū)地形的風特性研究早在20世紀70年代就受到關注[1].現(xiàn)場實測是復雜地形風特性研究的有效方法之一.Mouzakis等對希臘雅典附近某風電場風特性進行了實測研究，分別給出了不同風速范圍風速、風攻角、脈動風譜等參數(shù)[2].宋麗莉等對壩陵河大橋橋位風特性進行了實測研究.研究表明：深切峽谷地形完全改變了局地低層風場，不僅風向和最大風速發(fā)生了改變，而且風垂直輪廓線也完全不滿足冪指數(shù)分布；不同風向湍流強度和不同風向大風在縱、橫、垂直方向湍流強度比值也有很明顯的差異[3].龐加斌等針對四渡河大橋橋位脈動風特性進行了實測研究.研究表明：山區(qū)深切峽谷地形導致脈動風湍流強度明顯增大，湍流強度隨平均風速增大而減?。煌牧鞣e分尺度隨平均風速增大而增大[4].李永樂等針對某V型深切峽谷橋位風特性進行了實測研究，提出了深切峽谷區(qū)大跨度橋梁復合風速標準概念[5].

近年來，針對大跨橋梁風致振動響應實測也逐漸受到關注.Bietry等針對SaintNazaire斜拉橋進行風致振動響應實測研究，以獲得橋位風特性，同時檢驗Davenport準定常抖振理論[6].Larose針對丹麥大海帶東橋在橋塔施工期進行了風觀測和結構響應實測.研究表明：開闊近海區(qū)域脈動風紊流度較低，試驗和實測均觀測到橋塔順風向渦振現(xiàn)象[7].Frandsen針對丹麥大海帶東橋進行了風振響應實測研究.實測表明主梁表面壓力與主梁振動加速度響應相關性在“鎖定”區(qū)較強；實測渦振鎖定區(qū)與試驗預測結果接近，但渦振振幅要大于試驗預測結果[8].Macdonald針對第二塞文橋施工和成橋運營階段風振響應進行了實測研究[9].廖海黎等分別針對蘇通長江公路大橋和西堠門大橋進行了施工階段主橋結構橋位風觀測與主橋結構風致振動響應實測研究，對這兩座橋施工期抗風性能評估提供了必要依據(jù)[10].Siringoringo針對日本白鳥懸索橋進行了大風天氣風振響應實測.研究表明主梁豎向振動與橋塔順橋向振動響應隨著風速增加而增加；當風速為14～24 m/s時觀測到橋塔順風向的明顯振動，該振動可能由橋塔前、后塔柱之間氣動干擾效應引起[11-12].

綜合所述，盡管已有部分學者針對復雜山區(qū)橋位風特性進行了現(xiàn)場實測研究，但鑒于實際橋位地形差別較大，目前對于復雜山區(qū)地形橋位風特性的認識還比較粗略；且山區(qū)橋梁結構風致振動響應實測研究較少.因此有必要針對復雜山區(qū)地形橋位風特性和橋梁結構施工期振動響應進行實測.本文以在建赤石大橋為依托，主要開展施工期橋位風特性和風致振動響應實測研究.

1 橋位風觀測系統(tǒng)簡介

赤石大橋位于廈門至成都國家高速公路湖南省汝城至郴州段，主橋為四塔五跨預應力混凝土斜拉橋，跨徑布置為：165+3×380+165=1 470 m，大橋立面布置圖如圖1所示.橋面距離地面182 m.混凝土主梁采用掛籃懸臂澆筑法施工，主梁雙懸臂施工期結構自振頻率較低，對風作用敏感.橋位附近地形較為復雜，在施工過程中橋位處發(fā)生過多次突發(fā)大風，10 m高度處瞬時風速最高達32 m/s.為確保大橋施工期抗風安全，對該橋進行施工期橋位風特性和風振響應實測研究.

綜合考慮橋位地形特點和大橋施工進度，分別在大橋6#，7#橋塔對應的主梁及塔頂位置布置風速儀和加速度傳感器，對大橋施工期橋位風特性和風致振動響應進行實測.根據(jù)大橋施工進度，實測分兩階段實施.第一期2014年1月1日～2014年6月10日，分別在6#，7#橋塔塔頂、主梁2#塊等位置布置風速儀和加速度傳感器.第二期2014年6月10日～2014年12月31日，分別在6#，7#橋塔塔頂、主梁1/4跨等位置布置風速儀和加速度傳感器，具體布置和現(xiàn)場照片分別如圖2和圖3所示.風觀測系統(tǒng)由三維超聲風速儀（Young81000）、二維機械風速儀（Young 05103）、數(shù)據(jù)采集儀（Campbell公司CR1000動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀）、供電系統(tǒng)及無線傳輸系統(tǒng)等組成，具體布置及采樣頻率見表1.橋梁結構振動響應測試系統(tǒng)由加速度傳感器（941B型超低頻拾振器）、數(shù)據(jù)采集儀（UEILogger300動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀）等組成，具體布置及采樣頻率見表2.規(guī)定風從正北方向吹來時風向角為β=0°.

2 橋位風特性實測結果

2.1 平均風速和風向

限于篇幅，僅給出觀測期兩個大風天氣（20140703，20141005）6#，7#橋塔塔頂、橋面高度處10 min時距平均風速和風向曲線.圖4所示為2014年7月3日全天10 min時距平均風速和風向曲線.由圖4可知，2014年7月3日早上6：40～8：20期間風速較大，10 min時距平均風速最大值約為12.0 m/s，對應風向大致為南風.圖5所示2014年7月3日大風時段（6：40～8：20）橋位風觀測點10 min時距平均風速和風向曲線.由圖5可知，62#測點（6#橋塔塔頂）風速與6#塔橋面處風速以及7#塔對應塔頂、橋面處風速相比明顯偏小，該大風時段各觀測點主導風向基本為南風.

2.3 湍流度

圖10所示為2014年10月5日橋面高度處10 min時距平均風速及湍流度曲線.表4給出了觀測期間大風天氣大風時段湍流度變化范圍及均值.由圖10及表4可知，不同大風天氣大風時段61#測點順風向湍流強度平均值約為0.15～0.23，橫風向湍流強度平均值約為0.13～0.17，豎向湍流強度平均值約為0.13～0.19，對應湍流度平均值的比值為1∶0.79∶0.84，順風向與水平橫風向的湍流強度比值接近于規(guī)范推薦值1∶0.88，而順風向與豎向湍流強度的比值則比規(guī)范推薦值1∶0.5大.不同大風天氣大風時段71#測點順風向湍流強度平均值約為0.17～0.32，橫風向湍流強度平均值約為0.14～0.21，豎向湍流強度平均值約為0.08～0.12，對應湍流度平均值的比值為1∶0.71∶0.41，接近于規(guī)范推薦值1∶0.88∶0.5.

3 風振響應實測結果

比該狀態(tài)“橋梁整體豎擺”頻率計算結果偏大8.1%；主梁橫向振動卓越頻率為0.241 7 Hz，塔頂橫向振動卓越頻率為0.251 5 Hz，與橋塔橫向側彎頻率計算結果較為接近.實測結果表明：6#塔施工完12#梁段時，在大風作用下橋梁結構風振響應表現(xiàn)為“整體側彎”以及“整體豎擺”振動；橋梁懸臂施工期結構動力特性實測值與有限元分析結果吻合較好.

4 結 論

以在建的赤石大橋為依托，開展了山區(qū)地形高墩大跨橋梁施工期橋位風特性與風致振動響應實測研究與分析，得到如下主要結論：

1）復雜山區(qū)地形橋面高度處風速、風向沿橋軸線方向存在一定的不均勻性；大風天氣當風從北側吹時，風攻角變化較大；而當風從南側吹時，風攻角變化較小.

2）主梁施工期在大風作用下橋梁結構風振響應主要表現(xiàn)為“整體側彎”及“整體豎擺”振動.

3）橋梁懸臂施工期結構自振頻率實測值與有限元分析結果吻合較好.

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