貴州天門特大橋抗風(fēng)性能研究

韋定超　張磊

摘要 懸索橋由于跨度大、剛度小、阻尼低，極易發(fā)生不利的風(fēng)致振動和較大的風(fēng)荷載效應(yīng)。文章以貴州天門特大橋為研究對象，介紹了該懸索橋主橋的抗風(fēng)設(shè)計主要過程。首先介紹橋梁的基本設(shè)計參數(shù)、風(fēng)速參數(shù)，采用了有限元分析方法給出了主要模態(tài)及頻率。進(jìn)一步介紹了基于節(jié)段模型的顫振穩(wěn)定性試驗研究，以及靜氣動力系數(shù)試驗結(jié)果。最后給出了等效靜風(fēng)荷載作用下橋梁的風(fēng)荷載響應(yīng)。通過研究表明，橋梁能夠滿足顫振穩(wěn)定性等抗風(fēng)檢驗要求。

關(guān)鍵詞 懸索橋；節(jié)段模型；顫振穩(wěn)定性；靜氣動力系數(shù)

中圖分類號 U441.3文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2023）16-0141-03

0 引言

近年來，隨著懸索橋跨度的不斷增大，橋梁結(jié)構(gòu)變得更柔、阻尼更小，因此對風(fēng)荷載的敏感程度也不斷增減，橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)穩(wěn)定性問題日益突出[1-2]。隨著我國西部建設(shè)的加速，大量山區(qū)高速公路被提上建設(shè)日程，作為高速公路關(guān)鍵節(jié)點的山區(qū)大跨度橋梁的建設(shè)也取得了高速發(fā)展。與傳統(tǒng)橋梁抗風(fēng)所關(guān)注的跨海及跨江大橋不同，山區(qū)峽谷的大跨橋梁由于橋址處地形變化劇烈，導(dǎo)致橋址處風(fēng)效應(yīng)顯著，對山區(qū)峽谷懸索橋抗風(fēng)性能有極大影響[3-4]。因此，山區(qū)峽谷大跨度橋梁的抗風(fēng)設(shè)計是目前橋梁抗風(fēng)研究的重點，也是保證山區(qū)大跨度懸索橋安全運營的關(guān)鍵。

1 研究進(jìn)展

目前，針對大跨橋梁的抗風(fēng)性能研究，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)開展了大量研究。王凱等[5]針對大跨山區(qū)峽谷懸索橋的抗風(fēng)性能開展優(yōu)化試驗研究，得到了滿足抗風(fēng)性能的最優(yōu)抑振措施，研究成果能為類似橋梁的設(shè)計提供依據(jù)。翟曉亮等[3]針對某山區(qū)峽谷大跨橋梁的風(fēng)致振動特性和抗風(fēng)性能開展試驗研究，確定了該風(fēng)場環(huán)境下的最優(yōu)主梁設(shè)計方案。張瑞林等[6]基于節(jié)段模型風(fēng)洞試驗，對某懸索橋桁架梁的后顫振特征與機(jī)理開展研究。張新軍等[4]開展了考慮靜風(fēng)效應(yīng)疊加下的斜風(fēng)作用對懸索橋流線型箱梁成橋狀態(tài)及施工過程中的顫振穩(wěn)定性研究，結(jié)果表明必須綜合考慮靜風(fēng)和斜風(fēng)效應(yīng)對大跨懸索橋的不利影響。He等[7]通過風(fēng)洞試驗和本征正交分解法，分析了流線型扁箱梁的主要幾何參數(shù)（如主梁高寬比和風(fēng)嘴角度等）對其氣動性能的影響。劉小兵等[8]基于風(fēng)洞試驗開展某山區(qū)峽谷大跨人行懸索橋抗風(fēng)性能研究，結(jié)果表明該橋具有較好的渦振性能和顫振穩(wěn)定性。

貴州天門特大橋為雙塔三跨的懸索橋，主纜邊跨分別為254 m及188 m，主纜中跨820 m；兩岸主塔采用鋼筋混凝土塔柱結(jié)構(gòu)，為外傾門形框架，主塔塔高分別為195.0 m及135.0 m；主梁采用鋼桁加勁梁（板桁組合結(jié)構(gòu)），主桁為帶豎桿的華倫式桁架，主桁上、下弦桿采用箱形截面，標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段豎腹桿、斜腹桿采用“工”形截面，端節(jié)段則采用箱形斷面；兩岸均采用重力式錨碇。橋梁總體布置圖和主梁橫斷面布置圖分別如圖1所示。該文擬通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗的方法，針對大橋的抗風(fēng)性能展開研究，為大橋的抗風(fēng)設(shè)計提供依據(jù)。

2 風(fēng)速參數(shù)

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范（JTG/T 3360-01—2018）》[9]，大橋橋位處相鄰有畢節(jié)與安順，參照規(guī)范中安順地區(qū)基本風(fēng)速取值為24.6 m/s；畢節(jié)地區(qū)基本風(fēng)速26.3 m/s。該橋橋位距離畢節(jié)地區(qū)約124 km、距離安順約105 km，利用規(guī)范中規(guī)定的反距離插值方法，確定出橋位的基本風(fēng)速為25.4 m/s。該基本風(fēng)速下，天門特大橋抗風(fēng)風(fēng)險區(qū)域為R2等級；結(jié)合橋位周邊地形地貌衛(wèi)星圖片及場地特征，可確定風(fēng)場場地地表類別為D類，風(fēng)剖面指數(shù)α=0.30，粗糙高度z₀=1.0 m。根據(jù)抗風(fēng)規(guī)范，可得天門特大橋主梁處設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為43.2 m/s（100年重現(xiàn)期）。在+3°、0°、?3°風(fēng)攻角下，主橋的顫振穩(wěn)定性檢驗風(fēng)速為67.1 m/s；在±5°風(fēng)攻角下，成橋階段的顫振穩(wěn)定性檢驗風(fēng)速要求有所降低，為47.0 m/s。

3 結(jié)構(gòu)動力特性分析計算

橋梁結(jié)構(gòu)動力特性分析是大跨橋梁風(fēng)致響應(yīng)分析的基礎(chǔ)，為了進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)分析，必須先獲得其動力特性參數(shù)[10]。為此，采用數(shù)值分析方法以獲取天門特大橋成橋狀態(tài)的動力特性參數(shù)。

天門特大橋成橋狀態(tài)典型振動頻率及振型描述如表1所示。根據(jù)表1分析結(jié)果可以看出，橋梁影響顫振的關(guān)鍵頻率為一階正對稱豎彎和正對稱扭轉(zhuǎn)頻率，頻率分別為0.185 1 Hz與0.344 8 Hz，相應(yīng)的扭彎頻率比為1.86。

4 主梁節(jié)段模型試驗

主梁節(jié)段模型測振試驗主要模擬結(jié)構(gòu)的一階豎向和扭轉(zhuǎn)方向兩個自由度的振動特性，采用洞外支架懸掛，模型幾何縮尺比λ_L=1∶60。節(jié)段模型的骨架為桁架結(jié)構(gòu)，由鋁合金型材和鍍鋅板焊接而成。橋面和風(fēng)嘴采用木材雕刻而成，橋面欄桿和檢修軌道選用ABS材料雕刻而成。顫振試驗的節(jié)段模型主要參數(shù)如表2所示。試驗在均勻流場中進(jìn)行，并考慮了?5°、?3°、0°、+3°、+5°五種不同的風(fēng)攻角。

4.1 主梁節(jié)段顫振穩(wěn)定性試驗

檢驗結(jié)構(gòu)達(dá)到顫振臨界風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)是系統(tǒng)阻尼比是否為0。圖2給出了不同風(fēng)攻角作用下主梁的扭轉(zhuǎn)阻尼比隨折減風(fēng)速變化曲線。通過試驗發(fā)現(xiàn)，天門特大橋在0°、±5°及±3°風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速分別為84.0 m/s、63.0 m/s、70.0 m/s、73.5 m/s、70.0 m/s。在±3°風(fēng)攻角內(nèi)，大橋最不利的顫振臨界風(fēng)速為70.0 m/s，大于67.1 m/s的檢驗風(fēng)速要求；在±5° 兩個大角度風(fēng)攻角作用下，最不利的顫振臨界風(fēng)速為63.0 m/s，大于47.0 m/s的檢驗風(fēng)速要求。

4.2 主梁節(jié)段測力試驗

節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗針對成橋狀態(tài)斷面開展了?12～+12°共計25個風(fēng)攻角的試驗工況。全部測力節(jié)段模型風(fēng)洞試驗都是在均勻流場中進(jìn)行的。試驗結(jié)果包括主梁豎向的靜風(fēng)阻力和阻力系數(shù)、靜風(fēng)升力和升力系數(shù)以及靜風(fēng)升力矩和升力矩系數(shù)。圖3給出了靜氣動力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化曲線。其中，取?3～+3°最不利系數(shù)可作為風(fēng)荷載設(shè)計依據(jù)，相應(yīng)的阻力系數(shù)為1.162、升力系數(shù)為0.301、升力矩系數(shù)為0.01。

5 結(jié)構(gòu)靜風(fēng)荷載效應(yīng)

對天門特大橋主橋成橋狀態(tài)在等效靜陣風(fēng)荷載作用下的響應(yīng)進(jìn)行計算，以保證橋梁在運營過程中的抗風(fēng)安全。為此開展了等效靜風(fēng)荷載下的風(fēng)荷載效應(yīng)分析。分析過程中，采用等效靜陣風(fēng)速Ug作為風(fēng)荷載施加的輸入?yún)?shù)，其中Ug=GvUd=1.37×43.2=59.2 m/s。通過分析得出靜風(fēng)荷載位移如表3所示。有分析結(jié)果可見，在等效靜陣風(fēng)荷載作用下主梁豎向變形0.075 m，主梁跨中側(cè)向位移為0.243 m，且跨中側(cè)向變形小于主跨跨徑1/150的檢驗要求。

6 結(jié)論

天門特大橋是典型的山區(qū)峽谷鋼桁架主梁懸索橋。該文通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗的方法，對天門特大橋在風(fēng)荷載作用下的顫振穩(wěn)定性及風(fēng)荷載進(jìn)行了試驗研究與分析。根據(jù)分析得到如下主要結(jié)論：

（1）橋梁的一階正對稱豎彎和扭轉(zhuǎn)頻率分別為0.185 1 Hz與0.344 8 Hz，扭彎頻率比為1.86。

（2）成橋狀態(tài)下，在?3°、0°、+3°風(fēng)攻角中顫振不利風(fēng)攻角為?3°，相應(yīng)的顫振臨界風(fēng)速為70.0 m/s，滿足67.1m/s的檢驗要求；在?5°與+5°兩個風(fēng)攻角下最不利的顫振臨界風(fēng)速為63.0 m/s，滿足47.0 m/s顫振檢驗要求。

（3）通過節(jié)段模型測力試驗得出成橋狀態(tài)主梁的阻力系數(shù)為1.162、升力系數(shù)為0.301、升力矩系數(shù)為0.01。

（4）在等效靜陣風(fēng)荷載作用下主梁豎向變形0.075 m，主梁跨中側(cè)向位移為0.243 m，且跨中側(cè)向變形小于主跨跨徑1/150的檢驗要求。

參考文獻(xiàn)

[1]矣濤， 何能， 殷平. 懸索橋鋼桁加勁梁在斜風(fēng)作用下顫振穩(wěn)定性試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)， 2023（S1）： 874-878.

[2]黃林， 廖海黎， 王騎， 等. 2 300 m超大跨度扁平鋼箱梁懸索橋顫振穩(wěn)定性優(yōu)化研究[J]. 振動與沖擊， 2022（14）： 210-217.

[3]翟曉亮， 朱青， 錢程， 等. 山區(qū)峽谷大跨度鋼桁梁懸索橋抗風(fēng)性能研究[J]. 公路交通科技， 2020（11）： 56-62.

[4]張新軍， 應(yīng)賦斌， 趙晨陽. 斜風(fēng)下大跨度懸索橋顫振穩(wěn)定性研究[J]. 土木工程學(xué)報， 2022（4）： 68-75.

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

[6]張瑞林， 楊鴻波， 劉志文， 等. 桁架加勁梁懸索橋后顫振特性節(jié)段模型試驗研究[J]. 振動與沖擊， 2022（5）： 1-8.

[7]He X， Li H， Wang H， et al. Effects of geometrical parameters on the aerodynamic characteristics of a streamlined flat box girder[J]. JOURNAL OF WIND ENGINEERING AND INDUSTRIAL AERODYNAMICS， 2017， 170： 56-67.

[8]劉小兵， 姜會民， 趙煜程， 等. 山區(qū)峽谷大跨度人行懸索橋抗風(fēng)性能試驗研究[J]. 世界橋梁， 2022（2）： 57-63.

[9]中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn). 公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范： JTG/T 3360-01—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[10]朱樂東. 橋梁渦激共振試驗節(jié)段模型質(zhì)量系統(tǒng)模擬與振幅修正方法[J]. 工程力學(xué)， 2005（5）： 204-208.