山區(qū)峽谷中大跨度鋼桁梁斜拉橋抗風性能試驗研究

周霆 李沁峰

摘要：為研究山區(qū)峽谷中鋼桁架主梁抗風性能，文章以主跨680 m的大跨度鋼桁梁斜拉橋為背景，針對鋼桁架主梁制作節(jié)段模型進行風洞試驗，主要研究主梁的關(guān)鍵氣動參數(shù)，評價其渦振及顫振性能。結(jié)果表明：主梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動穩(wěn)定的必要條件。+3°、+5°風攻角時，主梁分別出現(xiàn)了1個扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)以及1個豎向、1個扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，渦振風速區(qū)間為20～25 m/s，主梁豎向渦振最大振幅為20 mm;+3°、+5°風攻角時，主梁扭轉(zhuǎn)渦振最大振幅分別為0.074 7°和0.131 8°，均小于規(guī)范允許值。+5°風攻角時主梁的顫振臨界風速為61.43 m/s，高于顫振臨界風速。

[作者簡介]周霆（1975—），男，碩士，高級工程師，主要從事大跨度橋梁設計工作。

我國是一個多山國家，山區(qū)峽谷地區(qū)地形復雜，導致交通基礎設施建設遠遠落后于中部平原地區(qū)。隨著我國經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人民對交通的需求不斷增長，在我國西部山區(qū)建設大跨度橋梁跨越深切峽谷具有重要的現(xiàn)實意義。但是大跨度橋梁結(jié)構(gòu)柔、剛度小、阻尼低，是風致響應的敏感結(jié)構(gòu)，在強風的作用，容易出現(xiàn)靜風失穩(wěn)和顫振現(xiàn)象，因此須通過專門的抗風分析檢驗橋梁的風荷載，并保證該橋的抗風穩(wěn)定性。

斜拉橋跨越能力大、受力合理、便于施工等特點，在西部山區(qū)建設大跨度斜拉橋是較好的選擇之一。鋼桁架主梁結(jié)構(gòu)剛度大、透風率高，目前許多大跨度橋梁均采用此種斷面形式，如日本明石海峽大橋、我國的紅軍赤水河大橋、大渡河大橋、楊泗港長江大橋等。但是，鋼桁架截面相對較鈍，可能發(fā)生渦激振動或顫振[1-3]，影響結(jié)構(gòu)的安全性和乘車舒適性，成為了國內(nèi)外專家研究的熱點。王凱[4-5]、徐愛軍等[6]給出了典型山區(qū)峽谷橋址處設計風參數(shù)選取方法，對比了兩種大跨度鋼桁架主梁的顫振性能，并提出設置氣動翼板或格柵式封閉原主梁的中央開槽的氣動措施。徐洪濤[7]、胡峰強[8]給出了山區(qū)峽谷中橋梁設計基準風速的選取方法，以及鋼桁架主梁的風洞試驗模型的設計方法，并對山區(qū)大跨度鋼桁梁橋顫振性能進行試驗研究。白樺[9]、崔欣[10]等針對窄幅鋼桁梁橋的顫振性能進行風洞試驗研究，認為抗風纜、中央扣及欄桿可提高鋼桁梁的顫振臨界風速。

與平原地區(qū)不同，山區(qū)峽谷地形復雜，傳統(tǒng)的橋梁設計風速的選取方法不再適用，可能給橋梁渦激振動及顫振性能的分析帶來一定誤差。本文基于山區(qū)大跨度鋼桁梁斜拉橋，計算得到設計基準風速，分析鋼桁架主梁的關(guān)鍵氣動參數(shù)，研究其渦振及顫振性能，為山區(qū)峽谷同類橋梁設計提供參考。

1 工程概況

該橋為主跨680 m的大跨度鋼桁梁斜拉橋，其孔徑布置為（304+680+304） m，橋塔采用混凝土結(jié)構(gòu)，主梁采用鋼桁架梁。主跨主梁斷面寬25.5 m，高6.8 m。具體橋型布置及主梁截面如圖1所示。橋梁結(jié)構(gòu)自振頻率及振型如表1所示。

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風設計規(guī)范》 [11]，按該橋一階自振頻率計算主梁的渦振振幅允許值。主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)渦振振幅允許值分別為0.171 m和 0.236°。

2 設計風參數(shù)

橋位處于屏山新市與金陽縣之間，可以取周邊氣象站的參考數(shù)據(jù)，橋位距離規(guī)范上列舉的氣象站宜賓、雷波、昭覺距離較近，可以取風速資料較大者，根據(jù)國家氣象資料，截止到2015年，可以推算到昭覺百年一遇基本風速為26.6 m/s。橋位地處山區(qū)峽谷，不能以常規(guī)的風速對數(shù)律或者指數(shù)律換算得到橋面設計基準風速，可以按照CFD計算獲得最大平均修正系數(shù)進行折算，折算后該橋主梁高度處設計基準風速為32.45 m/s。橋梁處于山區(qū)，可以歸為D類地表（表2）。

3 節(jié)段模型風洞試驗

為了解該橋主梁的抗風性能，制作主梁節(jié)段模型進行風洞試驗。節(jié)段模型的幾何縮尺比為1∶47.2，模型長2.095 m、寬0.144 m、高0.593 m，長寬比為14.5。主梁采用優(yōu)質(zhì)木材及塑料板制作，梁上的內(nèi)、外側(cè)防撞護欄等附屬構(gòu)件均采用工程塑料且由數(shù)控雕刻機制作而成。節(jié)段模型通過8根彈簧懸掛于洞壁外的支架上。風洞中的節(jié)段模型如圖2所示，主要試驗參數(shù)如表3所示。

4 試驗結(jié)果分析

4.1 靜力三分力系數(shù)

為了分析主梁斷面的氣動性能，通過風洞試驗測量了主梁的靜力三分力系數(shù)。試驗在XNJD-1風洞試驗室進行，均勻流場中，風攻角為-12～12°，風速為15 m/s，在體軸坐標系中的試驗結(jié)果如圖3所示。在體軸坐標系中，以水平方向為橫軸，豎向為縱軸。從圖中可以看出，主梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動穩(wěn)定的必要條件。主梁力矩系數(shù)接近于0，受攻角影響較小;0°攻角時主梁的阻力系數(shù)為1.486，且阻力系數(shù)隨攻角變化相對較大，其最大值為1.695，最小值為1.295。

4.2 渦振性能

首先，設定橋梁的豎向阻尼比為0.67 %、扭轉(zhuǎn)阻尼比為0.40 %;其次，進行0°、±3°和±5°風攻角下的試驗。不同風攻角時，主梁渦振響應如圖4所示，表4列出了具體的渦振統(tǒng)計結(jié)果。

由結(jié)果可知：-5°、-3°和0°風攻角下，主梁沒有出現(xiàn)渦振現(xiàn)象;+3°、+5°風攻角下，主梁分別出現(xiàn)了1個扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)、1個豎向渦振區(qū)和1個扭轉(zhuǎn)渦振區(qū);渦振區(qū)風速均為20～25 m/s，主梁豎向渦振最大振幅為20 mm，遠小于規(guī)范允許值;+3°、+5°風攻角時，主梁扭轉(zhuǎn)渦振最大振幅分別為0.074 7°和0.131 8°，小于規(guī)范允許值。這說明對于主梁來說，正攻角工況比負攻角工況更加危險，這可能是因為主梁斷面較鈍，加上欄桿、橋面鋪裝等的作用，正攻角時主梁尾部形成周期性脫落的漩渦，出現(xiàn)了渦激共振現(xiàn)象，而負攻角抑制了漩渦的脫落，未出現(xiàn)渦激振動現(xiàn)象。

4.3 顫振性能

考慮到主梁斷面的顫振臨界風速對風攻角的敏感性，節(jié)段模型動力試驗分別在0°、±3°、±5°五種攻角情況下，在均勻流場中進行，橋梁的豎向阻尼比為0.40 %、扭轉(zhuǎn)阻尼比為0.22 %，橋梁主梁成橋狀態(tài)的顫振臨界風速測試結(jié)果如表5所示。試驗中獲得了+5°風攻角下的顫振臨界風速為61.43 m/s;在0°、+3°、-3°、-5°攻角時，主梁來流風作用下有較大的靜位移，但并未觀察到明顯風致振動現(xiàn)象，實際臨界風速要大于最大試驗風速。試驗結(jié)果表明，大橋成橋狀態(tài)在0°、±3°、±5°五種攻角下的顫振臨界風速均大于該橋顫振檢驗風速，該橋能夠滿足顫振穩(wěn)定性的要求。

橋梁顫振發(fā)生形態(tài)并不是單純的豎彎基頻和扭轉(zhuǎn)基頻相互耦合的形態(tài)，它往往是多個振型共同參與的結(jié)果，這時發(fā)展三維多模態(tài)耦合顫振分析理論就顯得十分必要的。本文基于三維多模態(tài)參與單參數(shù)搜索M-S法，編制三維耦合顫振分析程序，對大橋的三維顫振臨界風速進行計算，具體計算結(jié)果如表6所示。

5 結(jié)論

以山區(qū)大跨度鋼桁梁斜拉橋為背景，通過節(jié)段模型風洞試驗，研究鋼桁架主梁氣動參數(shù)、渦振及顫振性能，得出結(jié)論：

（1） 橋梁主梁高度處設計基準風速為32.45 m/s，橋梁一階對稱豎彎頻率為0.233 8 Hz，一階對稱扭轉(zhuǎn)頻率為0.698 7 Hz。主梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動穩(wěn)定的必要條件。

（2）+3°、+5°風攻角下，主梁分別出現(xiàn)了1個扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)及1個豎向、1個扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)，渦振區(qū)風速均為20～25 m/s，主梁豎向渦振最大振幅為20 mm，遠小于規(guī)范允許值;+3°、+5°風攻角時，主梁扭轉(zhuǎn)渦振最大振幅分別為0.074 7°和0.131 8°，小于于規(guī)范允許值。

（3） +5°風攻角下的顫振臨界風速為61.43 m/s，且大于顫振臨界風速;在0°、+3°、-3°、-5°攻角時，主梁來流風作用下有較大的靜位移，但并未觀察到明顯風致振動現(xiàn)象，實際臨界風速要大于最大試驗風速。

參考文獻

[1] 陳政清. 橋梁風工程[M]. 北京：人民交通出版社，2005.

[2] 管青海，李加武，胡兆同，等. 欄桿對典型橋梁斷面渦激振動的影響研究[J]. 振動與沖擊，2014，33 （3）：150-156.

[3] 張志田，卿前志，肖瑋，等. 開口截面斜拉橋渦激共振風洞試驗及減振措施研究[J]. 湖南大學學報（自然科學版），2011，38 （7）：1-5.

[4] 王凱， 廖海黎， 劉君. 山區(qū)峽谷大跨鋼桁梁橋抗風特性試驗研究[J]. 振動與沖擊. 2014， 33（19）： 169-174.

[5] 王凱， 廖海黎， 李明水. 基于風洞試驗的大跨度鋼桁梁懸索橋顫振性能研究[J]. 振動與沖擊. 2015， 34（15）： 184-190.

[6] 徐愛軍， 王凱， 廖海黎， 等. 板-桁組合式鋼桁梁懸索橋顫振穩(wěn)定性選型研究[J]. 實驗流體力學. 2015， 29（4）：52-57.

[7] 徐洪濤.山區(qū)峽谷風特性參數(shù)及大跨度桁梁橋風致振動研究[D].成都： 西南交通大學，2009.

[8] 胡峰強. 山區(qū)風特性參數(shù)及鋼桁架懸索橋顫振穩(wěn)定性研究[D]. 上海：同濟大學，2006.

[9] 白樺，胡慶安，胡兆同，等. 窄幅鋼桁梁懸索橋抗風穩(wěn)定性能研究[J]. 振動與沖擊. 2010， 29（4） ： 155-159.

[10] 崔欣，李加武，劉健新. 窄懸索橋氣動穩(wěn)定性的風洞試驗研究[J]. 公路交通科技. 2011， 28（1）： 91-95.

[11] 公路橋梁抗風設計規(guī)范： JTG/T 3360-01-2018[S].北京：人民交通出版社， 2018.