杭寧高速分離式立交橋鋼箱梁渦激振動(dòng)特性風(fēng)洞試驗(yàn)研究
——以德清縣長(zhǎng)虹街東延工程為例

俞學(xué)文

(浙江中榮建設(shè)有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

鋼箱梁是跨徑較大的橋梁在建設(shè)時(shí)所采用的一種結(jié)構(gòu)形式，其外觀形狀接近箱子的形狀，因此也被稱為“鋼板箱形梁”[1]。鋼箱梁由頂板、腹板、底板等多個(gè)部分組成，各個(gè)部分之間通過(guò)全焊接的方式完成。渦激振動(dòng)是一種產(chǎn)生在低風(fēng)速下的振動(dòng)現(xiàn)象，常發(fā)生在橋梁跨度較大的情況下[2]。由于渦激振動(dòng)在大跨度橋梁中發(fā)生頻率較高，雖然不會(huì)造成橋梁的直接損壞，但是會(huì)使橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生疲勞，對(duì)橋梁施工期的安全性、使用期的舒適性均會(huì)造成一定影響[3]。因此，渦激振動(dòng)是跨度較大的橋梁在設(shè)計(jì)時(shí)首要考慮的問(wèn)題。

風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)是一種模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)人為產(chǎn)生氣流，并使氣流通過(guò)物體來(lái)模擬物體在風(fēng)速下的各種狀態(tài)，獲取所需的試驗(yàn)數(shù)據(jù)[4]。為研究鋼箱梁渦激振動(dòng)特性，周旭輝等人和高云等人分別基于改進(jìn)尾流振子模型和有限差分法對(duì)渦激振動(dòng)特性展開(kāi)研究，獲取均勻流和剪切流、不同質(zhì)量和不同阻尼比情況下的渦激振動(dòng)特性，為有效控制渦激振動(dòng)提供一定參考依據(jù)[5-6]。本文為了詳細(xì)研究鋼箱梁渦激振動(dòng)特性，以德清縣長(zhǎng)虹街東延工程為例，通過(guò)風(fēng)洞試驗(yàn)的方式，研究杭寧高速分離式立交橋鋼箱梁渦激振動(dòng)特性。

1 工程背景和實(shí)驗(yàn)方法

1.1 工程背景和概況

1.1.1 德清縣長(zhǎng)虹街東延工程背景

德清縣長(zhǎng)虹街東延工程全長(zhǎng)1 870 m，東西兩端方向分別連接長(zhǎng)虹街和杭寧高速，主要內(nèi)容包含杭寧高速分離式立交橋、一號(hào)橋、道路、排水等單位工程。杭寧高速分離式立交橋主橋主墩、交接墩均采用樁接承臺(tái)柱式墩，樁基礎(chǔ)和樁基均采用鉆孔灌注樁，兩者的直徑分別為180 cm和150 cm。引橋橋臺(tái)型式、橋墩型式分別為樁基接蓋梁和樁接承臺(tái)柱式墩，兩者樁基的直徑分別為120 cm和150 cm，均為鉆孔灌注樁[7-8]。1號(hào)橋分為上下兩個(gè)部分，兩部分的結(jié)構(gòu)被分為混凝土簡(jiǎn)支預(yù)制空心板和重力式橋臺(tái)，前者的尺寸為1 m×20 m，后者為鉆孔灌注樁，其直徑為100 cm。將鋼筋砼管用于排水工程中雨水管和污水管，管徑分別為D300～D1500和D400、D500[9-10]。道路建設(shè)主要以瀝青混凝土、水穩(wěn)、塘渣鋪建而成。排水檢查井壁以磚為主，結(jié)合M10水泥砂漿砌筑完成。工程的起止時(shí)間分別為2016年7月15日和2018年9月26日。

1.1.2 杭寧高速分離式立交橋概況

本文研究對(duì)象是杭寧高速分離立交橋，位于德清縣武康鎮(zhèn)長(zhǎng)虹街與杭寧高速交叉處，上跨現(xiàn)杭寧高速，全橋橋梁總長(zhǎng)為414.4 m，橋?qū)?8 m，地面高程3.9 m左右，分為主橋和引橋。主橋?yàn)?45+80+45) m鋼掛梁；通過(guò)現(xiàn)澆鋼箱梁方式構(gòu)建橋梁東西兩側(cè)引橋，東側(cè)引橋采用(32+3×30) m等截面現(xiàn)澆箱梁，西側(cè)引橋采用4 m×30 m等截面現(xiàn)澆箱梁。鋼箱梁部署結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 鋼箱梁的部署結(jié)構(gòu)

1.2 渦激振動(dòng)特性分析

1.2.1 分析模型

采用空間MIDAS/Gen有限元程序仿真杭寧高速分離式立交橋的渦激振動(dòng)特性，導(dǎo)梁及鋼梁結(jié)構(gòu)采用梁?jiǎn)卧N接結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為鉸接，其余簡(jiǎn)化為剛接[11-12]。其橫截面仿真結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 鋼箱梁橫截面結(jié)構(gòu)圖

剛度會(huì)受到應(yīng)力和重力的影響，且前者對(duì)應(yīng)斜拉索，為準(zhǔn)確描述該影響，采用Ernst等效彈性模量完成；同時(shí)完成研究目標(biāo)的有限元模型邊界條件設(shè)定。將單主梁模型作為計(jì)算模型，采用離散的方式，形成各自的三維單元，其須以實(shí)際研究目標(biāo)為參考[13]；振幅最大上限值為(0.8×102) mm；應(yīng)力計(jì)算時(shí)，模擬頂推重量約為800 t(恒荷載)，導(dǎo)梁重量20 t(恒荷載)；活荷載為根據(jù)滑移方案和頂推器的布置情況，考慮頂推器產(chǎn)生的水平力，鋼箱梁與支座計(jì)算時(shí)取0.1的摩擦系數(shù)，應(yīng)力計(jì)算時(shí)取恒荷載和活荷載的組合結(jié)果。

1.2.2 渦激振動(dòng)試驗(yàn)

選擇XNJD-3風(fēng)洞作為試驗(yàn)場(chǎng)所，按照幾何縮尺比1:45制作全橋氣彈風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?。試?yàn)在均勻流場(chǎng)中完成。立交橋模型按照一定比例縮小，根據(jù)相似程度標(biāo)準(zhǔn)，動(dòng)力階段模型和實(shí)際立交橋之間須保證具備3組相同的無(wú)量綱參數(shù)，分別為彈性、慣性和阻尼，依次用U/fhB和U/fαB、m/ρB2和Im/ρB4、ξh和ξα[14]。其中，寬度、密度分別用B、ρ表示，前者對(duì)應(yīng)橋面，后者對(duì)應(yīng)空氣；風(fēng)速用U表示；質(zhì)量和質(zhì)量慣矩分別用m和Im表示，且前者對(duì)應(yīng)單位長(zhǎng)度；頻率用fh和fα表示，前者對(duì)應(yīng)豎向，后者對(duì)應(yīng)扭轉(zhuǎn)；ξh、ξα均表示阻尼比，兩者的下角標(biāo)均表示運(yùn)動(dòng)，前者對(duì)應(yīng)豎向，后者對(duì)應(yīng)扭轉(zhuǎn)。模型的詳細(xì)試驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

表1 模型試驗(yàn)參數(shù)詳情

試驗(yàn)在3種工況下完成，各個(gè)工況的詳情如表2所示；鋼箱梁滑動(dòng)的結(jié)構(gòu)描述(見(jiàn)圖3)。其中，計(jì)算規(guī)范參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 GB50017-2003》《重型結(jié)構(gòu)和設(shè)備整體提升技術(shù)規(guī)范 GB51162-2016》以及工程施工圖。

表2 工況的詳細(xì)情況

圖3 工況示意圖

本文采用極限狀態(tài)方法完成設(shè)計(jì)。極限狀態(tài)是指當(dāng)整個(gè)立交橋結(jié)構(gòu)中的某部分超過(guò)一定狀態(tài)，則無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定的某項(xiàng)功能標(biāo)準(zhǔn)，將此時(shí)該結(jié)構(gòu)的功能狀態(tài)稱為該部分的極限狀態(tài)。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，將標(biāo)準(zhǔn)值和分項(xiàng)系數(shù)的乘積得出的載荷作為標(biāo)準(zhǔn)載荷，施加至立交橋結(jié)構(gòu)中獲取結(jié)構(gòu)的范例和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度結(jié)果[15]。工況示意圖如圖3所示。

2 結(jié)果分析

2.1 渦激振動(dòng)結(jié)果分析

2.1.1 不同攻角下渦激振動(dòng)分析

均勻流場(chǎng)中，選擇不同的模型攻角參數(shù)進(jìn)行豎向渦激振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)的測(cè)試，分別為0°、±4°和±6°，鋼箱梁渦激振動(dòng)相應(yīng)結(jié)果如圖4所示。

依據(jù)測(cè)試結(jié)果可以看出(見(jiàn)圖4)，在5種不同的攻角角度下，鋼箱梁的豎向渦激振動(dòng)的振幅，隨著風(fēng)速的增加，發(fā)生不同程度的波動(dòng)變化。在風(fēng)速逐漸增加的情況下，攻角為0°、-4°和-6°時(shí)，振幅波動(dòng)較為平緩，沒(méi)有較大幅度的變化；在風(fēng)速逐漸增加的情況下，攻角為4°和6°時(shí)，振幅變化明顯，波動(dòng)較大，總體來(lái)說(shuō)處于上升趨勢(shì)，當(dāng)風(fēng)速在18～27 m/s時(shí)，會(huì)產(chǎn)生渦振區(qū)，但是均在允許的振幅范圍內(nèi)。扭轉(zhuǎn)渦激振動(dòng)在5種不同的攻角角度下的振幅波動(dòng)變化結(jié)果與豎向渦激振動(dòng)的變化波動(dòng)基本一致，在風(fēng)速逐漸增加的情況下，攻角為4°和6°時(shí)，振幅變化較為明顯，當(dāng)風(fēng)速在31～40 m/s時(shí)，同樣會(huì)產(chǎn)生渦振區(qū)。

2.1.2 三種工況下渦激振動(dòng)分析

3種工況在不同風(fēng)向類別下，隨著風(fēng)速的增加，鋼箱梁發(fā)生渦激振動(dòng)振幅的變化結(jié)果如表3所示。

表3 鋼箱梁發(fā)生渦激振動(dòng)振幅的變化結(jié)果

依據(jù)測(cè)試結(jié)果可知(見(jiàn)表3)：3種工況分別在不同風(fēng)向下的振幅的峰值約在風(fēng)速20～30 m/s，此時(shí)會(huì)產(chǎn)生渦振區(qū)，并且整體趨勢(shì)均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，其中工況1在上測(cè)風(fēng)和下測(cè)風(fēng)2種風(fēng)向下，振幅峰值均低于其他2個(gè)工況的峰值；工況3在2種風(fēng)向下的發(fā)生的振幅峰值最高，但是振幅的峰值均沒(méi)有超過(guò)最大上限。因此，鋼箱梁在風(fēng)速超過(guò)20 m/s以后，會(huì)產(chǎn)生渦激振動(dòng)并且振幅明顯，風(fēng)速達(dá)到40 m/s以后，振幅下降。

2.2 應(yīng)力結(jié)果分析

3種工況的應(yīng)力分析結(jié)果如圖5、圖6和圖7所示。其中，每個(gè)工況的分析結(jié)果中均呈現(xiàn)導(dǎo)梁結(jié)構(gòu)、支撐結(jié)構(gòu)、DXYZ、DZ四個(gè)方面的應(yīng)力分布結(jié)果。

依據(jù)測(cè)試結(jié)果可知(見(jiàn)圖5、圖6和圖7)：工況1的鋼箱梁位于導(dǎo)梁位置時(shí)，產(chǎn)生的最大應(yīng)力值在最大應(yīng)力上限值范圍內(nèi)，為0.25；當(dāng)其滑動(dòng)至支撐結(jié)構(gòu)位置時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力也均在最大應(yīng)力上限值范圍內(nèi)，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)；并且工況1產(chǎn)生的最大豎向變形為12 mm，其和跨度比值為1/1 917，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。其他2種工況下，產(chǎn)生的最大應(yīng)力值在最大應(yīng)力上限值范圍內(nèi)，為0.14和0.13，2種工況發(fā)生的最大豎向變形的分析結(jié)果分別為-7 mm和-7.2 mm，其和支承跨度比值分別為1/3 400和1/3 305，滿足規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。

3 結(jié)語(yǔ)

為了分析鋼箱梁的渦激振動(dòng)特性，本文以德清縣長(zhǎng)虹街東延工程的杭寧高速分離式立交橋?yàn)槔?，采用風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)其鋼箱梁的渦激振動(dòng)特性展開(kāi)試驗(yàn)，并通過(guò)有限元模型計(jì)算鋼箱梁滑動(dòng)至不同位置時(shí)的應(yīng)力情況。經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果得出，該工程的立交橋鋼箱梁在不同的攻角下發(fā)生的渦激振動(dòng)振幅存在差異，但是均符合標(biāo)準(zhǔn)的振幅范圍，在不同的風(fēng)速范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生渦振區(qū)。并且在不同風(fēng)向下，渦激振動(dòng)振幅范圍依據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)振幅范圍。除此之外，鋼箱梁處于不同位置時(shí)，產(chǎn)生的應(yīng)力值均符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。