施工態(tài)下塔吊對(duì)鋼橋塔渦激振動(dòng)影響的風(fēng)洞試驗(yàn)

蘇 洋，李 鵬，胡 朋，林 偉

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.中交第二公路工程局， 陜西 西安 710065；3.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410114)

0 引言

渦激共振是大跨度橋梁在低風(fēng)速情況下非常容易發(fā)生的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象。渦激振動(dòng)是一種帶有自激性質(zhì)的振動(dòng)，振動(dòng)的結(jié)構(gòu)反過來又會(huì)對(duì)渦流形成某種反饋?zhàn)饔?，使得渦激共振的振幅受到限制，因此，通常稱渦激共振是一種帶有自激性質(zhì)的風(fēng)致限幅振動(dòng)[1]。盡管渦激振動(dòng)不像顫振、馳振那樣會(huì)發(fā)散從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生毀滅性的振動(dòng)破壞，但由于是低風(fēng)速下經(jīng)常容易發(fā)生的振動(dòng)，且振動(dòng)幅之大足以影響行車安全和舒適性能，因而在施工或者成橋階段避免渦激共振或限制其振幅在可接受的范圍之內(nèi)具有十分重要的意義[2]。

對(duì)于鋼橋塔而言，一方面，相對(duì)于混凝土橋塔，鋼橋塔具有質(zhì)量輕，阻尼小，結(jié)構(gòu)相對(duì)柔性等特點(diǎn)，在常見的風(fēng)速下也更容易產(chǎn)生較大的振幅，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量及施工人員的舒適性，甚至危及結(jié)構(gòu)安全。另一方面，高聳的鋼橋塔由于其截面為典型的鈍體斷面，相對(duì)于流線型斷面極易發(fā)生風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，所以有必要對(duì)鋼橋塔的風(fēng)致振動(dòng)進(jìn)行研究。已有橋塔的風(fēng)振響應(yīng)研究大多是針對(duì)于裸塔狀態(tài)進(jìn)行研究分析的[3-14]，而針對(duì)施工過程中橋塔及塔吊組合體系情況下的風(fēng)振響應(yīng)的研究并不多見。Takeuchi[15]針對(duì)自由豎立的鋼橋塔容易出現(xiàn)渦激振動(dòng)的特點(diǎn)，采用風(fēng)洞試驗(yàn)的方法考查了鋼橋塔的氣動(dòng)特性和渦激振動(dòng)的發(fā)生機(jī)制，并結(jié)合前人研究成果與風(fēng)洞試驗(yàn)成果，研究了串聯(lián)雙柱式橋塔的氣動(dòng)穩(wěn)定性，通過合理布置雙肢塔柱的突出附屬物、塔柱截面的切角數(shù)量以及兩塔柱的間距比等參數(shù)來改善橋塔的氣動(dòng)特性。Larose等[16]針對(duì)376 m高的H形鋼橋塔首先進(jìn)行了兩階段的節(jié)段模型試驗(yàn)來選取相對(duì)較優(yōu)的截面選型，再通過縮尺比1/250的氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)進(jìn)一步優(yōu)化了截面，并指出渦激振動(dòng)是H形橋塔主要的氣彈現(xiàn)象，通過在H形塔柱雙肢增加透風(fēng)屏障可以有效地減小旋渦脫落現(xiàn)象，從而顯著減小鋼橋塔的渦激共振的振幅。在針對(duì)裸塔渦振控制的研究中，葛耀君等[17]以位處于東南沿海的某大跨度懸索橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯苛死|索承重橋梁橋塔自立狀態(tài)下的渦激共振及其振動(dòng)控制措施。朱樂東等[18]以杭州之江大橋?yàn)楣こ虒?shí)例研究了鋼橋塔渦振氣動(dòng)控制措施。以上研究均是僅針對(duì)裸塔狀態(tài)，而施工過程中的橋塔和塔吊組合體系的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)相對(duì)于裸塔的風(fēng)振響應(yīng)而言會(huì)有一定的差異，所以有必要將裸塔狀態(tài)及橋塔和塔吊組合狀態(tài)下的風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行對(duì)比分析。

為研究施工狀態(tài)下，塔吊對(duì)鋼橋塔風(fēng)致振動(dòng)的影響，本研究以某跨江大橋鋼橋塔和塔吊組合體系為工程背景，考查了裸塔狀態(tài)下和橋塔與塔吊組合體系下各自的風(fēng)致響應(yīng)，對(duì)比分析了塔吊對(duì)橋塔渦激振動(dòng)的影響。研究結(jié)論可為大橋鋼橋塔的風(fēng)致施工安全提供一定的參考。

1 氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)置

氣動(dòng)彈性模型風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)茌^為真實(shí)地模擬結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性，也能較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)與空氣間的相互作用，其主要用于測(cè)量結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)彈性響應(yīng)。通過均勻流場(chǎng)中的氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)，考查橋塔結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激振動(dòng)、馳振的可能性。橋塔塔吊組合體系氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)在湖南科技大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，該試驗(yàn)段寬度為4.0 m，高度為3.0 m，長(zhǎng)度為17.0 m，風(fēng)速范圍為0～35.0 m/s。實(shí)驗(yàn)室配備直徑3 m的360°連續(xù)可調(diào)轉(zhuǎn)盤，可滿足試驗(yàn)過程中不同風(fēng)偏角的試驗(yàn)要求。

1.1 測(cè)點(diǎn)布置

根據(jù)該橋塔的特點(diǎn)，氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)中選擇塔頂及65%塔高處作為動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)量的控制斷面，測(cè)定橋塔順橋向和橫橋向位移響應(yīng)。另外在塔吊頂水平起重臂的前端、支撐處及后端增設(shè)3個(gè)動(dòng)態(tài)位移測(cè)試點(diǎn)，如圖1所示。

圖1 橋塔及塔吊測(cè)點(diǎn)布置圖Fig.1 Layout of measuring points on bridge pylon and tower crane

1.2 測(cè)試儀器

動(dòng)態(tài)位移測(cè)試采用英國(guó)IMETRUM非接觸式應(yīng)變位移視頻測(cè)量?jī)x，該儀器利用其創(chuàng)新性的專有亞像素圖像識(shí)別算法，在測(cè)量應(yīng)變、旋轉(zhuǎn)以及位移方面具有超高的分辨率，可較方便地實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)同步測(cè)量，分析精度在1/1 000個(gè)像素內(nèi)。風(fēng)速測(cè)試儀器為澳大利亞某公司眼鏡蛇風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)，試驗(yàn)過程中眼鏡蛇風(fēng)速儀安裝在橋塔65%高度處。

2 裸塔狀態(tài)氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)

2.1 氣動(dòng)彈性模型頻率

通過對(duì)已有試驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研表明，高聳的鋼橋塔由于其截面為典型的鈍體斷面，極易發(fā)生渦激振動(dòng)現(xiàn)象。在進(jìn)行橋塔塔吊組合體系氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)之前，應(yīng)首先對(duì)裸塔氣動(dòng)彈性模型進(jìn)行研究。考查橋塔自立狀態(tài)下的氣動(dòng)性能，并測(cè)試可能的渦激振動(dòng)的發(fā)振風(fēng)速范圍、振動(dòng)幅度。更進(jìn)一步的對(duì)比裸塔氣彈模型與后續(xù)橋塔塔吊組合體系風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果，由此可分析出塔吊的安裝對(duì)橋塔氣動(dòng)性能的影響。裸塔氣彈模型一階順橋向振動(dòng)頻率為2.23 Hz，一階橫橋向振動(dòng)頻率為2.71 Hz，兩者與目標(biāo)值誤差均在3%以內(nèi)。經(jīng)測(cè)試，裸塔氣彈模型結(jié)構(gòu)阻尼為0.15%。試驗(yàn)時(shí)模型的縮尺比為1∶75，風(fēng)速比為1∶7.5。

2.2 不同風(fēng)向角下裸塔的風(fēng)振響應(yīng)

對(duì)于均勻流場(chǎng)中的風(fēng)洞試驗(yàn)，考慮到來流方向的不確定性，除了來流風(fēng)向角β=0°(即來流方向與橋軸線垂直)外，根據(jù)橋塔結(jié)構(gòu)外形的對(duì)稱特性，進(jìn)行了風(fēng)向角β=15°，30°，60°，90°(其中角度以模型俯覽時(shí)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)為正方向)時(shí)的試驗(yàn)。在每一種來流風(fēng)向角工況下，考慮到試驗(yàn)風(fēng)速比較小(1∶7.5)，試驗(yàn)過程中為了捕獲橋塔可能存在的渦激振動(dòng)風(fēng)速區(qū)間，試驗(yàn)風(fēng)速?gòu)?.5 m/s開始，每0.25 m/s(相當(dāng)于實(shí)橋風(fēng)速為1.9 m/s)為一級(jí)試驗(yàn)風(fēng)速逐級(jí)增加，直至約8 m/s(相當(dāng)于實(shí)橋約60 m/s)，遠(yuǎn)高于施工狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)速34.9 m/s。

圖2為均勻流中裸塔狀態(tài)0°風(fēng)向角試驗(yàn)布置圖。圖3～圖7分別給出了不同風(fēng)向角下裸塔塔頂及65%塔高處的順橋向及橫橋向風(fēng)致響應(yīng)均方差。其中，均勻流中的0°風(fēng)向角裸塔氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，由圖可知，裸塔氣彈模型在0°風(fēng)向角下出現(xiàn)明顯的大幅順橋向渦激共振現(xiàn)象，最大實(shí)橋振動(dòng)響應(yīng)均方差達(dá)到1.28 m，渦振風(fēng)速區(qū)間出現(xiàn)在12～32 m/s范圍內(nèi)。隨著風(fēng)速增長(zhǎng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到47 m/s 后，裸塔氣彈模型發(fā)生大幅發(fā)散性馳振現(xiàn)象。隨著風(fēng)向角的增加，橋塔風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)顯著降低，沒有發(fā)生明顯的渦激振動(dòng)和馳振現(xiàn)象。

圖2 裸塔狀態(tài)試驗(yàn)布置圖(0°風(fēng)向角)Fig.2 Layout of bare pylon test(0° wind angle)

以上試驗(yàn)表明，裸塔狀態(tài)在常遇風(fēng)速下會(huì)出現(xiàn)渦激振動(dòng)現(xiàn)象，且在高風(fēng)速下會(huì)出現(xiàn)較危險(xiǎn)的發(fā)散性馳振現(xiàn)象，在對(duì)裸塔進(jìn)行施工時(shí)應(yīng)特別注意。

3 橋塔塔吊組合體系均勻流場(chǎng)氣動(dòng)彈性模型試驗(yàn)

在裸塔施工時(shí)，施工方給出了在橋塔附近采用塔吊的方式進(jìn)行施工。為考查施工時(shí)塔吊的存在對(duì)裸塔風(fēng)致振動(dòng)的影響。為此，針對(duì)橋塔塔吊組合體系進(jìn)行了氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究。鑒于安裝塔吊后組合結(jié)構(gòu)為單向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，因此試驗(yàn)過程中分別進(jìn)行了0°，±15°，±30°，±60°，±90°風(fēng)向角的測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中組合結(jié)構(gòu)阻尼為0.22%，試驗(yàn)在均勻流中進(jìn)行。

圖3 裸塔狀態(tài)下風(fēng)振響應(yīng)均方差(0°風(fēng)向角)Fig.3 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(0° wind angle)

圖4 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(15°風(fēng)向角)Fig.4 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(15° wind direction angle)

圖5 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(30°風(fēng)向角)Fig.5 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(30° wind direction angle)

圖6 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(60°風(fēng)向角)Fig.6 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(60° wind direction angle)

圖7 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(90°風(fēng)向角)Fig.7 Mean square error of wind-induced response for bare pylon(90° wind angle)

圖8 橋塔及塔吊組合狀態(tài)試驗(yàn)布置(0°風(fēng)向角)Fig.8 Layout of test on combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

其中典型的均勻流中橋塔塔吊組合狀態(tài)0°風(fēng)向角試驗(yàn)布置如圖8所示，圖9給出了均勻流中橋塔塔吊組合狀態(tài)0°風(fēng)向角下順橋向、橫橋向和扭轉(zhuǎn)的風(fēng)振響應(yīng)均方差。由圖可知，橋塔塔吊組合體系狀態(tài)在均勻流場(chǎng)中的風(fēng)振響應(yīng)相比裸塔狀態(tài)顯著減小，并且未發(fā)生渦激振動(dòng)和馳振現(xiàn)象。針對(duì)在±15°，±30°，±60°，±90°風(fēng)向角下，橋塔和塔吊組合體系下的響應(yīng)也遠(yuǎn)比裸塔狀態(tài)要小，且未發(fā)生渦激振動(dòng)和馳振現(xiàn)象。以上結(jié)果表明，施工時(shí)塔吊的存在能抑制橋塔的渦激振動(dòng)和馳振現(xiàn)象，這在一定程度上降低了橋塔施工的風(fēng)險(xiǎn)。另一方面，也反映了今后在考慮施工態(tài)下橋塔的施工安全時(shí)，不僅應(yīng)考查裸塔狀態(tài)橋塔的渦振響應(yīng)，還應(yīng)考查橋塔和塔吊組合體系下的渦振響應(yīng)。

圖9 橋塔及塔吊組合狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(0°風(fēng)向角)Fig.9 Mean square error of wind-induced response of combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

針對(duì)上述塔吊的存在能抑制橋塔渦激振動(dòng)現(xiàn)象，分析原因認(rèn)為：由于塔吊是桁架結(jié)構(gòu)體系，它的存在會(huì)對(duì)橋塔尾部規(guī)則的旋渦脫落產(chǎn)生干擾，從而使塔吊結(jié)構(gòu)起到了抑制橋塔渦振和馳振的有利作用，并最終提高了橋塔和塔吊組合體系的氣動(dòng)穩(wěn)定性能?？傊谏鲜鲆蛩氐木C合作用下，當(dāng)塔吊存在時(shí)，橋塔的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)大大降低，表明塔吊的存在有利于提高橋塔的施工安全。

4 結(jié)論

本研究以某跨江大橋鋼橋塔和塔吊組合體系為工程背景，考查了裸塔狀態(tài)下和橋塔塔吊組合體系下各自的風(fēng)致響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

(1)裸塔氣彈模型在0°風(fēng)向角下出現(xiàn)較為明顯的大幅順橋向渦激共振現(xiàn)象，隨著風(fēng)速增長(zhǎng)，當(dāng)風(fēng)速達(dá)到47 m/s后，裸塔氣彈模型發(fā)生大幅發(fā)散性馳振現(xiàn)象。隨著風(fēng)向角的增加，橋塔風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)顯著降低，沒有發(fā)生明顯的渦激振動(dòng)和馳振現(xiàn)象。

(2)在所有試驗(yàn)風(fēng)向角工況下，橋塔塔吊組合體系狀態(tài)在均勻流場(chǎng)中的風(fēng)振響應(yīng)相比裸塔狀態(tài)顯著減小，并且未發(fā)生渦激振動(dòng)和馳振現(xiàn)象，表明塔吊的存在會(huì)抑制橋塔的風(fēng)振響應(yīng)。

(3)今后在考慮施工態(tài)下橋塔的施工安全時(shí)，不僅應(yīng)考查裸塔狀態(tài)橋塔的渦激響應(yīng)，還應(yīng)考查橋塔和塔吊組合體系下的渦激響應(yīng)。