錢幫虎

(天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津 300122)

隨著橋梁跨度的增加，橋塔高度不斷增加。橋塔屬于典型的高柔結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是主要荷載之一。在施工階段，橋塔由于沒(méi)有纜索的支撐作用，剛度相對(duì)較低，阻尼也較小，在風(fēng)荷載作用下很容易發(fā)生渦激振動(dòng)、馳振以及隨機(jī)抖振［1－3］。在橋塔設(shè)計(jì)階段，控制馳振發(fā)生風(fēng)速大于馳振檢驗(yàn)風(fēng)速［4］，渦振和隨機(jī)抖振振幅控制在規(guī)范允許的范圍內(nèi)［5－6］，以保證行車的舒適性和結(jié)構(gòu)的安全性。雖然隨機(jī)抖振通常不會(huì)像顫振和馳振那樣引起災(zāi)難性的破壞，但在施工期間過(guò)大的抖振響應(yīng)可能危及施工人員和機(jī)械的安全，因此，對(duì)高柔橋塔的抖振問(wèn)題不能忽視［3］。大多數(shù)橋塔自立狀態(tài)實(shí)驗(yàn)只測(cè)試裸塔的風(fēng)振響應(yīng)［7］，本文研究塔吊對(duì)高柔橋塔風(fēng)振響應(yīng)的影響，通過(guò)測(cè)試均勻流場(chǎng)和B類紊流場(chǎng)中有無(wú)塔吊時(shí)的抖振位移，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析。

1 工程概況

本文研究的橋塔是某三塔四跨長(zhǎng)江大橋的中塔。該橋主跨為850 m的疊合梁懸索橋，橋跨布置為(200+850+850+200)m，主梁梁高3 m，寬38 m。中塔高度152 m，橋面以上塔柱和上橫梁采用鋼結(jié)構(gòu)，橋面以下塔柱和下橫梁采用混凝土結(jié)構(gòu)。橋塔布置如圖1所示(圖中長(zhǎng)度單位為cm)。

2 模型設(shè)計(jì)與制作

一般的門式橋塔由于順橋向剛度比較小，一階順橋向彎曲頻率低于一階橫橋向彎曲頻率。本文研究的橋塔接近門式橋塔，與門式橋塔的主要區(qū)別在于其上塔柱呈“人”字形，在下橫梁處分開且距離較大，增加了橋塔的順橋向剛度，從而使得橫橋向頻率低于順橋向頻率。橋塔順橋向和橫橋向的基頻見表1。表1給出了實(shí)際橋塔的頻率，模型的要求頻率、計(jì)算頻率和實(shí)測(cè)頻率以及模型的阻尼比。橋塔模型順橋向和橫橋向?qū)崪y(cè)頻率與設(shè)計(jì)要求頻率之間的偏差均小于5%，橋塔模型順橋向和橫橋向阻尼比均小于規(guī)范規(guī)定的限值0.5%。其中實(shí)際橋塔頻率和模型計(jì)算頻率均采用ANSYS空間結(jié)構(gòu)通用有限元分析軟件計(jì)算得到。

考慮到本文研究的橋梁要做全橋?qū)嶒?yàn)，全橋中可以利用該橋塔，所以橋塔的幾何比例和全橋一樣(即λL=1/179)。在橋塔氣彈模型設(shè)計(jì)、制作中，不僅要模擬幾何尺寸和風(fēng)場(chǎng)特性，而且還要模擬氣動(dòng)彈性特性。一般說(shuō)來(lái)，氣彈相似性包括結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度、彈性和密度的相似條件以及氣流的密度、速度、重力加速度和粘性等的相似條件，這些物理量可以用幾個(gè)無(wú)量綱參數(shù)來(lái)表示，如Reynolds數(shù)、Froude數(shù)、Strouhal數(shù)、Cauchy數(shù)、密度比和阻尼比等［8］。根據(jù)相似性要求得到主要的相似比如表2所示。

圖1 橋塔布置圖

表1 實(shí)際橋塔和模型的頻率以及模型的阻尼比

表2 主要相似比

3 試驗(yàn)方案

根據(jù)橋址處風(fēng)環(huán)境，在大氣邊界層風(fēng)洞中用尖劈和粗糙元模擬B類地貌流場(chǎng)。采用激光位移計(jì)測(cè)試橋塔的位移，其中順橋向安裝4個(gè)激光位移計(jì)，分別裝于塔頂處(2個(gè))和橋塔的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速高度處(即0.65H處，H為塔高)(2個(gè))，橫橋向安裝2個(gè)激光位移計(jì)，分別裝于塔頂處(1個(gè))和0.65H處(1個(gè))，這樣可以同時(shí)測(cè)量橋塔順橋向和橫橋向的位移。通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)橋塔位置，測(cè)試橋塔在不同風(fēng)偏角下的抖振位移隨風(fēng)速的變化規(guī)律，其中橋塔順橋向和橫橋向的抖振位移均值隨風(fēng)速的變化規(guī)律接近拋物線［2］。本文研究在不同風(fēng)偏角下橋塔的抖振位移響應(yīng)，為了便于比較，選擇的試驗(yàn)風(fēng)速是設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速(36.3 m/s)。試驗(yàn)中通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)模型來(lái)模擬10 種風(fēng)偏角，風(fēng)偏角分別為0°、5°、15°、30°、45°、60°、75°、85°和 90°，其中風(fēng)偏角為來(lái)流風(fēng)方向和橋塔平面之間的夾角。由于在0°風(fēng)偏角下，橋塔橫橋向位移均值和順橋向位移方差較大，所以增加了5°風(fēng)偏角的試驗(yàn)工況;由于在90°風(fēng)偏角下，橋塔順橋向位移均值和橫橋向位移方差較大，所以增加了85°風(fēng)偏角的試驗(yàn)工況。

4 橋塔風(fēng)振響應(yīng)分析

4.1 順橋向風(fēng)振響應(yīng)分析

圖2為橋塔塔頂處和0.65H處在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速下測(cè)試得到的順橋向位移隨風(fēng)偏角的變化曲線，風(fēng)速和位移響應(yīng)均已換算成相應(yīng)的實(shí)橋值。

圖2 順橋向位移均值和方差隨風(fēng)偏角變化曲線

從圖2中可以看出:均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)下塔頂處和0.65H處順橋向位移均值隨風(fēng)偏角變化趨勢(shì)基本一樣，數(shù)值相差較小;在不同風(fēng)偏角下，塔頂處順橋向最大位移均值發(fā)生在風(fēng)偏角為90°處;在不同風(fēng)偏角下，0.65H處順橋向最大位移均值發(fā)生在風(fēng)偏角為60°處。在不同風(fēng)偏角下塔頂處順橋向最大位移均值是0.65H處的4倍左右;在不同風(fēng)偏角下，塔頂處有塔吊情況下最大位移均值比無(wú)塔吊時(shí)小，B類紊流場(chǎng)比均勻流場(chǎng)小，但數(shù)值相差很小，且在不同的風(fēng)偏角下大小關(guān)系也不同;塔頂處和0.65H處順橋向位移方差都是均勻流場(chǎng)比B類紊流場(chǎng)大，有塔吊比無(wú)塔吊的數(shù)值大，這是由于紊流場(chǎng)中來(lái)流的脈動(dòng)成分增加了結(jié)構(gòu)的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了結(jié)構(gòu)的抖振位移;均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)下塔頂處順橋向位移方差比0.65H處小，這是由于塔頂處紊流度比0.65H處小，順橋向位移方差對(duì)紊流度變化較敏感;風(fēng)偏角對(duì)塔頂處順橋向位移方差影響較大，而對(duì)0.65H處順橋向位移方差影響較小;塔頂處順橋向最大位移方差在風(fēng)偏角為0°處，而此偏角下順橋向位移的均值最小。

4.2 橫橋向風(fēng)振響應(yīng)分析

圖3為橋塔塔頂處和0.65H處在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速下測(cè)試得到的橫橋向位移隨風(fēng)偏角的變化曲線，風(fēng)速和響應(yīng)均已換算成相應(yīng)的實(shí)橋值。

圖3 橫橋向位移均值和方差隨風(fēng)偏角變化曲線

從圖3中可以看出:均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)下塔頂處和0.65H處橫橋向位移均值隨風(fēng)偏角變化趨勢(shì)基本一樣，數(shù)值相差較小;塔頂處橫橋向位移均值在風(fēng)偏角為0°～60°較大，其中無(wú)塔吊時(shí)風(fēng)偏角為30°時(shí)最大，有塔吊時(shí)風(fēng)偏角為15°時(shí)最大，其中B類紊流場(chǎng)比均勻流場(chǎng)大;0.65H處橫橋向位移均值在風(fēng)偏角為15°～60°較大，其中風(fēng)偏角為45°時(shí)均勻流場(chǎng)和紊流場(chǎng)下橫橋向位移均值達(dá)到最大;在不同風(fēng)偏角下，塔頂處橫橋向最大位移均值是0.65H處的3倍左右;在不同風(fēng)偏角下，塔頂處順橋向最大位移均值與橫橋向很接近;塔頂處和0.65H處橫橋向位移方差在30°～90°范圍內(nèi)較小，在不同風(fēng)偏角下橫橋向最大位移方差和順橋向很接近;在不同風(fēng)偏角下，B類紊流場(chǎng)中塔頂處橫橋向最大位移方差發(fā)生在風(fēng)偏角為5°處，均勻流場(chǎng)中塔頂橫橋向最大位移方差發(fā)生在風(fēng)偏角為15°處;在不同風(fēng)偏角下，有塔吊時(shí)0.65H處橫橋向最大位移方差發(fā)生在風(fēng)偏角為5°處，無(wú)塔吊時(shí)0.65H處橫橋向最大位移方差發(fā)生在風(fēng)偏角為15°處;B類紊流場(chǎng)中塔頂處和0.65H處橫橋向位移方差都比均勻流場(chǎng)中大，有塔吊比無(wú)塔吊大，這是由于紊流場(chǎng)中來(lái)流的脈動(dòng)成分增加了結(jié)構(gòu)的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了結(jié)構(gòu)的抖振位移。

5 結(jié)論

1)均勻流場(chǎng)和B類紊流場(chǎng)中有無(wú)塔吊情況下橋塔塔頂處和0.65H處順橋向位移和橫橋向位移均值隨風(fēng)偏角變化趨勢(shì)基本一致，數(shù)值很接近，說(shuō)明流場(chǎng)類型和塔吊對(duì)橋塔順橋向以及橫橋向位移均值的影響很小;塔頂處和0.65H處順橋向位移和橫橋向位移均值在不同風(fēng)偏角下的最大值基本一致，其中在不同風(fēng)偏角下塔頂處順橋向和橫橋向最大位移均值是0.65H處的3～4倍。

2)有塔吊時(shí)塔頂處和0.65H處順橋向以及橫橋向的位移方差都比無(wú)塔吊時(shí)大，紊流場(chǎng)比均勻流場(chǎng)大，這是由于紊流場(chǎng)中來(lái)流的脈動(dòng)成分增加了結(jié)構(gòu)的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了結(jié)構(gòu)的抖振位移;在不同風(fēng)偏角下塔頂和0.65H處順橋向最大位移和橫橋向最大位移方差基本一致，其中塔頂處順橋向和橫橋向位移方差比0.65H處的數(shù)值稍微大一些。

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