云霧特大橋主橋抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究

趙 凱，藍(lán)先林，周 瀟

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550081)

風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響及破壞現(xiàn)象頻繁發(fā)生，如1986年塔科馬大橋發(fā)生顫振扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)，最后導(dǎo)致整個(gè)橋梁結(jié)構(gòu)損壞。近年國(guó)內(nèi)虎門大橋渦激振動(dòng)引起了國(guó)內(nèi)廣泛關(guān)注，風(fēng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的影響越來(lái)越受重視。而斜拉橋是一種剛度較小、體系較柔的索結(jié)構(gòu)，在風(fēng)荷載作用下易發(fā)生顫振、渦激振動(dòng)、馳振和斜拉索振動(dòng)等風(fēng)致振動(dòng)，特別是鋼混疊合梁斜拉橋的風(fēng)致影響較為顯著[1-4]，為保證其抗風(fēng)穩(wěn)定性，國(guó)內(nèi)外學(xué)者從橋梁結(jié)構(gòu)特征[5-8]、風(fēng)參數(shù)[9-13]、抑振措施[14-15]等方面進(jìn)行過(guò)大量的研究。云霧特大橋橋塔高為236 m，橋址位于山區(qū)典型的“V”形峽谷，風(fēng)環(huán)境條件十分復(fù)雜，為確保橋梁在施工和運(yùn)營(yíng)階段的抗風(fēng)安全性和行車平順性，須通過(guò)靜風(fēng)荷載響應(yīng)分析、風(fēng)洞節(jié)段模型試驗(yàn)等研究橋梁的抗風(fēng)性能。

1 工程概況

云霧特大橋位于都勻至香格里拉國(guó)家高速公路貴州境內(nèi)都勻至安順高速公路T13合同段，為跨越老棉河而設(shè)。主橋采用 (215+480+215)m的鋼-混凝土疊合梁雙塔雙索面斜拉橋，半漂浮體系，全橋長(zhǎng)1 720 m，其中安順岸主塔高為300 m，目前在同類型橋塔中居世界第一。橋型布置如圖1所示。

單位：cm

主梁寬度為30.3 m，采用雙邊主梁(焊接工字梁)斷面，由工字型鋼縱梁、橫梁、小縱梁組成平面梁格，并在其上鋪設(shè)混凝土橋面板，通過(guò)焊接在鋼梁上的剪力釘組成疊合梁體系。橋塔采用折H型構(gòu)造，都勻岸橋塔高為281 m，安順岸橋塔高為300 m。斜拉索采用環(huán)氧涂層預(yù)應(yīng)力鋼絞線，標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度為 1 860 MPa，全橋共有152根。

2 有限元模型及自振特性

2.1 有限元模型

為研究云霧特大橋的動(dòng)力特性，基于ANSYS建立三維空間有限元模型。采用BEAM188模擬主梁鋼縱梁、主梁橫梁、小縱梁、橋塔墩柱及墩柱，橋面鋪裝的重量通過(guò)增大混凝土橋面板的等效密度方式實(shí)現(xiàn)，兩側(cè)人行道及車行道護(hù)欄等通過(guò)MASS21單元來(lái)實(shí)現(xiàn)質(zhì)量/質(zhì)量矩的模擬，采用空間桿單元LINK10模擬斜拉索，并用Ernst公式考慮拉索的垂度效應(yīng)，采用4節(jié)點(diǎn)彈性殼單元SHELL63模擬橋面板。成橋態(tài)有限元模型如圖2所示。

圖2 橋梁有限元模型

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

基于2.1節(jié)的有限元模型，利用子空間迭代法計(jì)算該橋結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性，得到成橋態(tài)和施工態(tài)主梁的主要振型及頻率，如表1所示。據(jù)表1分析可知，主梁1階豎彎頻率為0.255 Hz，1階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率為0.435 Hz，其扭彎頻率比為1.707。最大單懸臂施工態(tài)主梁1階豎彎和主梁1階扭轉(zhuǎn)頻率分別為0.271 Hz和0.442 Hz。表1中計(jì)算得到的頻率用作下一節(jié)渦激振動(dòng)振幅限值的計(jì)算。

表1 成橋態(tài)及施工態(tài)自振特性

3 橋梁抗風(fēng)性能研究

根據(jù)JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[16](簡(jiǎn)稱《規(guī)范》)附錄A可知，云霧特大斜拉橋地表粗糙度為D類，橋面高度處成橋階段設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速分別為29.0 m/s，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為47.9 m/s，靜力扭發(fā)散風(fēng)速為57.9 m/s。

3.1 主梁顫振節(jié)段模型試驗(yàn)

主梁節(jié)段模型幾何相似比為1∶50，由不銹鋼板和ABS板加工而成，模型寬B=0.606 m，長(zhǎng)度L=1.54 m，L/B=2.54，如圖3所示。為了得到合理的風(fēng)速比，本次測(cè)振試驗(yàn)渦振和顫振采用2套剛度不同的彈簧，節(jié)段模型由8根彈簧懸掛在特定的裝置上，渦振采用8根剛度為260 kg/m的彈簧，顫振采用8根剛度為143 kg/m的彈簧。豎彎阻尼比和扭轉(zhuǎn)阻尼比均采用1%，風(fēng)攻角工況為+3°、-3°和0°。

圖3 主梁節(jié)段模型

對(duì)于渦激共振，據(jù)《規(guī)范》第7.2.6條規(guī)定，該橋成橋狀態(tài)豎向渦激共振和扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅分別應(yīng)滿足式(1)、式(2)要求：

(1)

(2)

式中：hc、[ha]分別為豎向渦激共振振幅測(cè)驗(yàn)值和規(guī)范限值；θc、[θa]分別為扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅測(cè)驗(yàn)值和規(guī)范限值；B為截面寬度；fb、ft分別為主梁1階對(duì)稱豎彎頻率和1階對(duì)稱扭轉(zhuǎn)頻率。

經(jīng)計(jì)算，成橋態(tài)豎向渦振的限定值為156.87 mm，扭轉(zhuǎn)渦振的限定值為0.345 7°；施工態(tài)豎向渦振的限定值為147.7 mm，扭轉(zhuǎn)渦振的限定值為0.340 2°，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為47.9 m/s。

成橋態(tài)和施工態(tài)下主梁扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和豎向振動(dòng)在3個(gè)風(fēng)攻角工況下隨實(shí)橋風(fēng)速的變化規(guī)律如圖4～圖7所示。分析圖4～圖7可知：

1) 對(duì)于顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)的風(fēng)洞試驗(yàn)，各個(gè)計(jì)算工況下顫振臨界風(fēng)速均大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速47.9 m/s，說(shuō)明該橋不會(huì)發(fā)生大幅度顫振振動(dòng)。

2) 顫振扭轉(zhuǎn)振幅和豎向振動(dòng)振幅在3個(gè)風(fēng)攻角工況下從大到小的順序依次為：+3°>0°>-3°。

3) 施工態(tài)的顫振臨界風(fēng)速大于成橋態(tài)的顫振臨界風(fēng)速。

圖4 成橋態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

圖5 成橋態(tài)豎向振動(dòng)

圖6 施工態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

圖7 施工態(tài)豎向振動(dòng)

3.2 主梁渦激共振階段模型試驗(yàn)

渦激共振下進(jìn)行了均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)下的節(jié)段模型試驗(yàn)，所模擬的紊流度約為實(shí)際橋面高度處紊流度的一半，即模型湍流度9.0%。

主梁階段模型成橋態(tài)和施工態(tài)下在3個(gè)風(fēng)攻角作用下，渦激共振扭轉(zhuǎn)振幅和豎向振幅隨實(shí)橋風(fēng)速的變化規(guī)律如圖8～圖12所示。分析圖8～圖12可知：

1) 均勻流場(chǎng)作用下的成橋態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和豎向振動(dòng)均發(fā)生了較大幅度的渦激共振，特別是在+3°風(fēng)攻角下的豎向振幅超過(guò)了規(guī)范限值(156.9 mm)，其值為253 mm。

2) 在山區(qū)紊流風(fēng)環(huán)境下不會(huì)出現(xiàn)渦激共振。

3) 均勻流場(chǎng)作用下的施工態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和豎向振動(dòng)渦激共振振幅很小，可忽略不計(jì)。

圖8 成橋態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

圖9 成橋態(tài)豎向振動(dòng)

圖10 紊流場(chǎng)成橋態(tài)豎向振動(dòng)

圖11 均勻流施工態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)

圖12 均勻流施工態(tài)豎向振動(dòng)

3.3 主梁三分力系數(shù)及馳振穩(wěn)定性

成橋態(tài)主梁斷面在風(fēng)軸和體軸狀態(tài)下的三分力系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖13、圖14所示。其中CM、CD、CL分別為風(fēng)軸坐標(biāo)系下的扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)、阻尼系數(shù)和升力系數(shù)，CH、CV、CM分別為風(fēng)軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)。

圖13 成橋態(tài)風(fēng)軸系

與成橋態(tài)相比，施工態(tài)主梁斷面減少了欄桿等橋面系部分。施工態(tài)主梁斷面在風(fēng)軸和體軸狀態(tài)下的三分力系數(shù)測(cè)試結(jié)果如圖15、圖16所示。

圖14 成橋態(tài)體軸系

圖15 施工態(tài)風(fēng)軸系

圖16 施工態(tài)體軸系

分析圖13～圖16可知：

1) 0°風(fēng)攻角下，成橋態(tài)主梁斷面的阻尼系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別為1.331、-0.043、-0.003；施工態(tài)下主梁斷面的阻尼系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別為1.246、0.156、0.078。

4 結(jié)論

本文基于主梁階段風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了云霧特大橋主梁顫振、渦激共振和馳振穩(wěn)定性，主要結(jié)論如下：

1) 對(duì)于顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)的風(fēng)洞試驗(yàn)，各個(gè)計(jì)算工況下顫振臨界風(fēng)速均大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速47.9 m/s，說(shuō)明該橋不會(huì)發(fā)生顫振大幅度振動(dòng)。顫振扭轉(zhuǎn)振幅和豎向振動(dòng)振幅在3個(gè)風(fēng)攻角工況下從大到小的順序依次為：+3°>0°>-3°。

2) 均勻流場(chǎng)作用下的成橋態(tài)扭轉(zhuǎn)振動(dòng)和豎向振動(dòng)均發(fā)生了較大幅度的渦激共振，特別是在+3°風(fēng)攻角下的豎向振幅超過(guò)了規(guī)范限值(156.9 mm)，其值為253 mm，但在紊流場(chǎng)風(fēng)環(huán)境下不會(huì)發(fā)生渦激共振。

3) 0°風(fēng)攻角下，成橋態(tài)主梁斷面的阻尼系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別為1.331、-0.043、-0.003,施工態(tài)下主梁斷面的阻尼系數(shù)、升力系數(shù)和扭矩系數(shù)分別為1.246、0.156、0.078。馳振力系數(shù)恒為正，故馳振穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。