獨(dú)塔單索面大跨度斜拉橋風(fēng)洞試驗(yàn)研究

馬 耕

(福州市規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350003)

0 引言

非對(duì)稱式獨(dú)塔斜拉橋結(jié)構(gòu)新穎、造型美觀，在橋梁工程尤其是城市橋梁中有著廣泛的應(yīng)用。由于結(jié)構(gòu)左右剛度不對(duì)稱，其動(dòng)力特性與傳統(tǒng)對(duì)稱斜拉橋存在明顯不同，由此導(dǎo)致在隨機(jī)動(dòng)力荷載下的響應(yīng)也存在顯著區(qū)別。與傳統(tǒng)橋梁相似，隨著跨度增大，結(jié)構(gòu)剛度減少，風(fēng)荷載作用下的動(dòng)力失穩(wěn)問題日益突出。對(duì)于地處沿海地區(qū)的大跨度不對(duì)稱獨(dú)塔斜拉橋，強(qiáng)風(fēng)作用下的動(dòng)力穩(wěn)定性必須在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行檢驗(yàn)。本文以福鼎八尺門大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)單索面不對(duì)稱大跨度獨(dú)塔斜拉橋的抗風(fēng)穩(wěn)定性進(jìn)行了詳細(xì)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得到了一些有益結(jié)論，可供其他類似工程參考。

1 工程概況

八尺門大橋[1-2]位于福鼎市沙埕港末端，地處我國(guó)東南沿海臺(tái)風(fēng)多發(fā)地區(qū)，氣候條件復(fù)雜，受強(qiáng)風(fēng)影響顯著。大橋主橋采用獨(dú)塔單索面混合梁斜拉橋非對(duì)稱布置，跨徑組合33+67+200=300m；主塔采用單柱式鋼筋混凝土橋塔，塔高103.70m，塔梁固結(jié)。獨(dú)塔斜拉橋整體布置如圖1所示。

根據(jù)跨徑不同，獨(dú)塔斜拉橋在主跨和邊跨采用了不同材料的主梁。其中，主跨采用閉口鋼箱梁主梁斷面，梁高3.5m，寬33m；邊跨主梁采用混凝土箱形梁斷面，外形與鋼箱梁相同。獨(dú)塔斜拉橋標(biāo)準(zhǔn)主梁斷面如圖2所示。

圖1 獨(dú)塔斜拉橋整體布置(單位：m)

(a)鋼主梁斷面

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析是獨(dú)塔斜拉橋顫振和渦振風(fēng)洞試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)，節(jié)段模型的設(shè)計(jì)建立在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析基礎(chǔ)之上。本文同時(shí)對(duì)獨(dú)塔斜拉橋成橋和施工兩種狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性進(jìn)行了分析，其中最大單懸臂狀態(tài)為施工中的最不利情況(文中所指的施工狀態(tài)均指最大懸臂狀態(tài))。采用離散結(jié)構(gòu)的有限單元法建立獨(dú)塔斜拉橋有限元模型，如圖3所示。本文采用“魚骨式”單主梁計(jì)算模型，其中閉口鋼箱梁、混凝土箱梁、混凝土橋塔和橋墩采用空間梁?jiǎn)卧狟eam4模擬，主梁主要參數(shù)特性如表1所示；斜拉索采用經(jīng)Ernst公式修正的空間索單元Link10模擬；主梁的二期恒載采用質(zhì)量單元Mass21模擬。

經(jīng)模態(tài)分析得獨(dú)塔斜拉橋主梁在成橋和施工兩種狀態(tài)下的一階模態(tài)如圖4所示。從圖4可以看出，大跨度獨(dú)塔斜拉橋的剛度較小，成橋和施工狀態(tài)的一階豎彎頻率僅為0.4766Hz和0.3660Hz，為典型的柔性結(jié)構(gòu)。

(a)成橋狀態(tài)

(b)施工狀態(tài)圖3 獨(dú)塔斜拉橋有限元模型表1 獨(dú)塔斜拉橋主梁斷面參數(shù)

斷面類型面積(m2)側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IZZ(m4)豎向轉(zhuǎn)動(dòng)慣量IYY(m4)扭轉(zhuǎn)慣量Jd (m4)鋼箱梁1.70132.7796120.305.63混凝土箱梁23.264535.38311598.7997.17

成橋豎彎 0.4766Hz 成橋扭轉(zhuǎn) 1.0853Hz 成橋側(cè)彎 1.6370Hz

施工豎彎 0.3660Hz 施工扭轉(zhuǎn) 0.7767Hz 施工側(cè)彎 0.5202Hz圖4 獨(dú)塔斜拉橋一階模態(tài)

3 顫振風(fēng)洞試驗(yàn)研究

顫振是大跨度橋梁容易發(fā)生的一種振動(dòng)形式，屬于自激發(fā)散振動(dòng)，在設(shè)計(jì)中必須嚴(yán)格避免[3-4]。基于樣條假設(shè)，采用二維節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)獨(dú)塔斜拉橋主梁顫振性能進(jìn)行研究[5]。顫振風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞為一閉口回流式大氣邊界層風(fēng)洞，試驗(yàn)段高2.5m，寬3m，長(zhǎng)15m，風(fēng)速范圍1～68m/s連續(xù)可調(diào)。根據(jù)TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)段規(guī)模和風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)要求，設(shè)計(jì)1∶60的標(biāo)準(zhǔn)主梁節(jié)段模型，進(jìn)行了成橋和施工兩種狀態(tài)，-3°、0°和3°三種風(fēng)攻角度共6種工況下主梁的顫振風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)研究，主梁節(jié)段模型在TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中的布置如圖5所示。

圖5 獨(dú)塔斜拉橋節(jié)段模型

顫振風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要包括顫振臨界風(fēng)速、阻尼-風(fēng)速曲線和顫振導(dǎo)數(shù)等，試驗(yàn)流場(chǎng)偏安全的取為均勻流場(chǎng)。其中阻尼-風(fēng)速曲線、顫振導(dǎo)數(shù)主要用于后期結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)計(jì)算，此處不再給出。顫振臨界風(fēng)速是評(píng)估結(jié)構(gòu)顫振性能最直接的參數(shù)，獨(dú)塔斜拉橋主梁各工況下的顫振臨界風(fēng)速和檢驗(yàn)風(fēng)速的對(duì)比如表2所示。其中顫振檢驗(yàn)風(fēng)速根據(jù)規(guī)范[6]按照式(1)計(jì)算得到：

Vcr=1.2μfVd

(1)

式中，Vd為橋面高度設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速，其中成橋狀態(tài)按照100年重現(xiàn)期風(fēng)速資料獲得，為39.2m/s；施工狀態(tài)按照10年重現(xiàn)期風(fēng)速資料獲得,為32.8m/s。μf為考慮風(fēng)速的脈動(dòng)影響及水平相關(guān)特性的無量綱修正系數(shù)，按橋梁跨度經(jīng)內(nèi)插得μf=1.27。

表2 獨(dú)塔斜拉橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速

通過表2可以發(fā)現(xiàn)，獨(dú)塔斜拉橋主梁由于采用了抗風(fēng)性能較好的流線型斷面，成橋和施工狀態(tài)下的顫振臨界風(fēng)速均大于規(guī)范規(guī)定的檢驗(yàn)值，符合設(shè)計(jì)要求。

4 渦振風(fēng)洞試驗(yàn)研究

渦振是橋梁結(jié)構(gòu)在低風(fēng)速時(shí)經(jīng)常遇到的一種振動(dòng)形式，通常情況下由漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)某階頻率相近時(shí)發(fā)生共振引起，是一種具有自激性質(zhì)的限幅振動(dòng)[3-4]。渦振雖然不會(huì)像顫振那樣引起結(jié)構(gòu)的毀滅性破壞，但是由于渦振通常發(fā)生在低風(fēng)速時(shí)，容易引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞和造成行人、行車安全和舒適問題。對(duì)于大跨度橋梁，必須在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行渦振性能檢驗(yàn)。獨(dú)塔斜拉橋的渦振風(fēng)洞試驗(yàn)同樣在同濟(jì)大學(xué)TJ-2大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，渦振試驗(yàn)節(jié)段模型幾何縮尺比同樣采用1∶60。試驗(yàn)測(cè)試內(nèi)容主要包括觀察渦激振動(dòng)現(xiàn)象、確定渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間和最大振幅。由于大氣中的紊流成分會(huì)抑制渦振的發(fā)生，所以主梁渦振風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)在偏安全的均勻流場(chǎng)中進(jìn)行。

獨(dú)塔斜拉橋主梁節(jié)段模型渦振風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行了成橋和施工兩種狀態(tài)，-3°、0°和3°三種風(fēng)攻角度共6種工況。獨(dú)塔斜拉橋主梁在各工況下的渦振風(fēng)速區(qū)間和振幅峰值如表3所示。

表3 獨(dú)塔斜拉橋渦振風(fēng)速區(qū)間及振幅峰值

通過表3可以發(fā)現(xiàn)，獨(dú)塔斜拉橋在施工階段無渦振現(xiàn)象發(fā)生；在成橋狀態(tài)+3°風(fēng)攻角時(shí)渦振響應(yīng)最明顯，其風(fēng)速-振幅曲線如圖6所示，相應(yīng)的豎彎和扭轉(zhuǎn)最大振幅分別為35.7mm和0.048°，但小于83.9mm和0.1273°的規(guī)范允許值，滿足設(shè)計(jì)要求。其中渦振振幅允許值根據(jù)規(guī)范[6]按照式(2)～(3)給出：

[θα]=4.56/Bft

(2)

[hα]=0.04/fb

(3)

式中，[θα]、[hα]分別為主梁渦振扭轉(zhuǎn)和豎彎振幅允許值；B為主梁寬度，為33m；ft、fb分別為扭轉(zhuǎn)和豎彎振動(dòng)頻率，成橋狀態(tài)時(shí)分別為1.0853Hz和0.4766Hz；施工狀態(tài)時(shí)分別為0.7767Hz和0.3660Hz。

圖6 獨(dú)塔斜拉橋主梁成橋狀態(tài)3°風(fēng)攻角時(shí)的風(fēng)速-振幅曲線

5 結(jié)論

本文以主跨200 m的八尺門大橋?yàn)楣こ瘫尘?，?duì)非對(duì)稱布置單索面大跨度獨(dú)塔斜拉橋的風(fēng)致穩(wěn)定性能進(jìn)行了風(fēng)洞試驗(yàn)研究。結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析表明，大跨度獨(dú)塔斜拉橋的剛度較小，為典型的柔性斜拉橋，其抗風(fēng)穩(wěn)定性必須在設(shè)計(jì)中加以考慮；節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)表明，由于主梁采用了氣動(dòng)性能較好的流線型斷面，其顫振和渦振穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。