鋼管-鋼管混凝土復(fù)合橋塔抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究

黃瑋

（1.福建省建筑科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，福州 350108；2.福建省綠色建筑技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福州 350108）

0 引 言

現(xiàn)代橋梁結(jié)構(gòu)往長(zhǎng)、細(xì)、輕、柔與低阻尼的方向發(fā)展，使之對(duì)風(fēng)作用更加敏感，氣動(dòng)彈性問題已成為大跨度及超大跨度橋梁強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性抗風(fēng)設(shè)計(jì)的制約因素［1］。福建某海島橋采用（80+150+80）m異型主塔部分斜拉橋，選用造型獨(dú)特的鋼管-鋼管混凝土復(fù)合主塔結(jié)構(gòu)，鋼管之間采用多層弧形鋼管進(jìn)行加勁，同時(shí)鋼管作為斜拉索的貫通管道，如圖1所示。主梁采用兩個(gè)分離式的單箱雙室預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁結(jié)構(gòu)，全橋?qū)?6 m。橋址位于海島強(qiáng)風(fēng)區(qū)，年平均風(fēng)速6.9 m/s，全年大風(fēng)（7級(jí)以上）日數(shù)為125 d，全年大于等于8級(jí)風(fēng)力的天數(shù)為84.5 d，熱帶風(fēng)暴年平均6.3次［2］。本橋采用貝殼形鋼管-鋼管混凝土橋塔，且橋位于海島強(qiáng)風(fēng)區(qū)，因此必須進(jìn)行抗風(fēng)性能分析。

圖1 大橋主橋立面圖和斷面圖（單位：cm）Fig.1 Elevation and cross section of main bridge（Unit：cm）

采用鋼管-鋼管混凝土復(fù)合橋塔結(jié)構(gòu)可減輕橋塔自重，設(shè)計(jì)出更輕盈多樣的結(jié)構(gòu)造型，為保證新型橋塔抗風(fēng)自立狀態(tài)的抗風(fēng)安全，對(duì)其開展抗風(fēng)性能研究［3-4］。目前大跨度橋梁抗風(fēng)研究主要采用4種方法，即理論分析、風(fēng)洞試驗(yàn)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)和數(shù)值風(fēng)洞研究［5-6］。分別進(jìn)行橋塔有限元理論分析，并制作橋塔氣彈模型通過表面測(cè)壓、測(cè)力、測(cè)振及測(cè)速方法研究該類風(fēng)荷載及抗風(fēng)性能。常見風(fēng)致振動(dòng)主要有顫振、渦激振動(dòng)、抖振、馳振和斜拉索風(fēng)雨振［7］。本橋主塔采用鋼管-鋼管混凝土復(fù)合主塔結(jié)構(gòu)，材料為Q345-D內(nèi)填充C40微膨脹混凝土，塔柱分為5根塔柱，與混凝土塔座之間完全固結(jié)，如圖2所示。由于塔柱截面為直徑1.5 m的圓形，因此不會(huì)產(chǎn)生顫振［8］，風(fēng)洞試驗(yàn)將對(duì)渦振、馳振、抖振進(jìn)行逐一分析。

圖2 塔柱大樣圖（單位：cm）Fig.2 Detail section of column（Unit：cm）

1 動(dòng)力特性分析

橋塔自立狀態(tài)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析模型如圖3所示，分析結(jié)果如表1所示。橋塔順橋向一階彎曲振動(dòng)頻率為0.282 5 Hz，橋塔橫橋向一階彎曲振動(dòng)頻率為0.302 8 Hz。主塔采用節(jié)段工廠加工、現(xiàn)場(chǎng)吊裝拼接施工，鑒于橋塔造型限制，主塔施工采用梁上搭設(shè)滿堂支架對(duì)稱施工，有助于增加橋塔施工工程中的動(dòng)力穩(wěn)定性。在施工階段中，橋塔處于雙懸臂狀態(tài)，最后一段鋼管吊裝拼接前為最不利施工狀態(tài)。

表1 橋塔振動(dòng)前10階模態(tài)動(dòng)力特性Table 1 Dynamic characteristics of pylon

圖3 橋塔MIDAS模型圖Fig.3 MIDAS model of pylon

2 風(fēng)洞試驗(yàn)

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG 3360-01—2018）（以下簡(jiǎn)稱《抗風(fēng)規(guī)范》）附錄A.3，該地區(qū)的10 m高度處百年一遇的風(fēng)速為42.40 m/s，即U10=42.40 m/s。根據(jù)相關(guān)圖紙，橋塔基準(zhǔn)高度Z偏于安全取為46.04 m。根據(jù)《抗風(fēng)規(guī)范》橋塔設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Ucd為

根據(jù)《抗風(fēng)規(guī)范》第7.3.5條，橋塔自立狀態(tài)馳振檢驗(yàn)風(fēng)速為

2.1 橋塔氣彈模型

在氣彈模型設(shè)計(jì)、制作中，不僅要模擬幾何尺寸，還要模擬氣動(dòng)彈性特性。氣彈相似性可以用幾個(gè)無量綱參數(shù)來表示，如Reynolds數(shù)、Froude數(shù)、Strouhal數(shù)、Cauchy數(shù)、密度比和阻尼比等，模型縮尺比為1∶100，除了Reynolds數(shù)和Froude數(shù)外，均得到了嚴(yán)格模擬。選用實(shí)心銅管來模擬橋塔的剛度，通過尺寸參數(shù)的調(diào)整滿足橋塔塔柱順橋向剛度和橫橋向剛度相似要求，通過鉛皮配重來補(bǔ)充質(zhì)量相似，如圖4所示。橋塔通過固結(jié)方式焊接在基座上，基座與測(cè)力天平通過螺栓連接，基座與風(fēng)洞地板通過轉(zhuǎn)接件螺栓連接，從而形成橋塔固結(jié)。橋塔底端兩個(gè)ATI六分量天平用于測(cè)量橋塔在來流作用下的受力情況；橋塔的順橋向和橫橋向的最外沿布置了激光位移計(jì)測(cè)點(diǎn)，用于測(cè)量橋的橫向振動(dòng)和縱向振動(dòng)。頻率和阻尼比誤差小于2%。

圖4 橋塔氣動(dòng)彈性模型Fig.4 Aeroelastic model of pylon

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

考慮到橋塔自立狀態(tài)風(fēng)可能從不同方向吹來，在進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)時(shí)分別考慮了風(fēng)偏角從0°到90°以5°為步長(zhǎng)增加的情況，共19個(gè)工況，并規(guī)定風(fēng)偏角0°時(shí)對(duì)應(yīng)順橋向吹風(fēng)工況；風(fēng)偏角90°時(shí)對(duì)應(yīng)橫橋向吹風(fēng)工況。試驗(yàn)風(fēng)速?gòu)? m/s以1 m/s為步長(zhǎng)增加到15 m/s，15 m/s對(duì)應(yīng)的實(shí)際風(fēng)速為93.75 m/s，遠(yuǎn)超馳振檢驗(yàn)風(fēng)速。

測(cè)量得到了橋塔自立狀態(tài)均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)不同風(fēng)偏角下，橋塔塔頂順橋向受力響應(yīng)平均值及均方差隨風(fēng)速變化曲線，詳見圖5、圖6所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，試驗(yàn)過程中橋塔受力和風(fēng)速基本呈現(xiàn)線性遞增的關(guān)系，未觀測(cè)到橋塔明顯的渦激共振現(xiàn)象和馳振現(xiàn)象。

圖5 均勻流場(chǎng)順橋向合力平均值和均方根值Fig.5 Responses of pylon in uniform flow field

圖6 紊流場(chǎng)順橋向合力平均值和均方根值Fig.6 Responses of pylon in turbulent flow field

測(cè)量得到了橋塔自立狀態(tài)均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)不同風(fēng)偏角下，橋塔塔頂順橋向位移響應(yīng)平均值及均方差隨風(fēng)速變化曲線，詳見圖7、圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果顯示，均勻流場(chǎng)橋塔自立狀態(tài)位移和風(fēng)速基本呈現(xiàn)線性遞增的關(guān)系，未發(fā)生明顯的渦激共振現(xiàn)象和馳振現(xiàn)象；紊流場(chǎng)橋塔自立狀態(tài)也未發(fā)生明顯的渦激共振現(xiàn)象和馳振現(xiàn)象，抖振位移均方根值也較小。

圖7 均勻流場(chǎng)順橋向位移平均值和均方根值Fig.7 Displacements of pylon in uniform flow field

圖8 紊流場(chǎng)順橋向位移平均值和均方根值Fig.8 Displacements of pylon in turbulent flow field

從表2中響應(yīng)可以得出：橋塔設(shè)計(jì)風(fēng)速Vcd=62.78 m/s時(shí)，當(dāng)風(fēng)沿順橋向（即風(fēng)偏角β=0°）作用下，橋塔塔頂順橋向位移平均值為1.361 9 mm，塔頂順橋向位移根方差為1.403 1 mm；塔頂橫橋向位移平均值為0.046 1 mm，塔頂橫橋向位移根方差為0.158 6 mm。實(shí)橋橋塔最大位移相當(dāng)于0.140 31 m，振幅相對(duì)較小。

表2 紊流場(chǎng)典型風(fēng)偏角下橋塔風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)Table 2 Responses of main bridge turbulent flow field

當(dāng)風(fēng)沿橫橋向（即風(fēng)偏角β=90°）作用下，橋塔塔頂順橋向位移平均值為-0.056 6 mm，塔頂順橋向位移根方差為0.256 0 mm；塔頂橫橋向位移平均值為1.240 1 mm，塔頂橫橋向位移根方差為1.274 6 mm。實(shí)橋橋塔最大位移相當(dāng)于0.127 46 m，振幅相對(duì)較小。

3 結(jié)論

通過對(duì)該橋橋塔自立狀態(tài)的抗風(fēng)性能研究，可以得出如下主要結(jié)論：

（1）計(jì)算得到橋塔自立狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)速和馳振檢驗(yàn)風(fēng)速，橋塔自立狀態(tài)設(shè)計(jì)風(fēng)速為62.78 m/s，馳振檢驗(yàn)風(fēng)速約為75.33 m/s。

（2）橋塔動(dòng)力特性分析結(jié)果：橋塔一階順橋向彎曲振動(dòng)頻率最低，橋塔順橋向一階彎曲振動(dòng)頻率為0.282 5 Hz；橋塔橫橋向一階彎曲振動(dòng)頻率為0.302 8 Hz；橋塔一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)頻率為0.496 8 Hz。

（3）均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)中，橋塔自立狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)過程中未觀測(cè)到橋塔明顯的渦激共振和馳振現(xiàn)象，抖振位移均方根值較小。

（4）由于均勻流場(chǎng)中橋塔自立狀態(tài)風(fēng)洞試驗(yàn)中未發(fā)現(xiàn)明顯的渦激共振和馳振現(xiàn)象，紊流場(chǎng)中橋塔抖振響應(yīng)也很小，因此無須設(shè)置永久性減振措施；但由于橋塔在順橋向上“頭寬腳窄”，建議在施工過程中增加臨時(shí)性的輔助索，增強(qiáng)橋塔在順橋向方向的剛度和穩(wěn)定性。