徐治芹

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津市 300074)

斜拱塔施工狀態(tài)抗風(fēng)性能試驗研究

徐治芹

(中國市政工程華北設(shè)計研究總院，天津市 300074)

蘇揚公路2號橋橋塔采用了先進(jìn)的無支架安裝技術(shù)，施工期間橋塔自重及施工荷載靠自身承受，安全系數(shù)較傳統(tǒng)的支架工法有所降低，橋塔易受到風(fēng)荷載的影響。為了保證橋塔在施工期間的安全，必須進(jìn)行必要的橋塔施工狀態(tài)抗風(fēng)性能試驗研究。在計算橋塔自立狀態(tài)動力特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了橋塔施工狀態(tài)氣動彈性模型風(fēng)洞試驗，為橋塔的施工提供了安全保障，對同類工程有重要的借鑒意義。

橋塔;施工狀態(tài);抗風(fēng)性能;風(fēng)洞試驗

1 概述［1-3］

斜拉橋設(shè)計時必須考慮抗風(fēng)穩(wěn)定性，尤其是處于施工狀態(tài)的橋塔，由于沒有斜拉索的錨固作用，更容易受到風(fēng)荷載的影響。除了常規(guī)的風(fēng)荷載靜力作用外，還必須考慮空氣動力穩(wěn)定性問題。由于橋塔是復(fù)雜的三維非流線型鈍體結(jié)構(gòu)，加之橋梁的氣動彈性效應(yīng)影響，僅靠理論分析難以滿足橋塔抗風(fēng)設(shè)計的需要，借助模型風(fēng)洞試驗成為研究橋塔抗風(fēng)性能的必然選擇。

蘇揚公路2號橋位于鄂爾多斯市鐵西三期開發(fā)區(qū)，是一座超寬橋面卵形斜塔組合梁特種斜拉橋。主塔為全鋼結(jié)構(gòu)，軸線為圓曲線，塔平面與豎直方向夾角為15°。主塔總重量為1 600 t，總高度為70 m，主墩以上高67.6 m，主塔沿橋梁縱向傾斜15°。主塔雙腿沿曲線向上在塔頂部匯聚成整體，沿順橋向主塔呈獻(xiàn)魚形。主塔雙腿及頂部均為箱型斷面，鋼塔底部與主墩固結(jié)成整體，見圖1、圖2。

橋塔安裝使用了國內(nèi)首創(chuàng)的無支架安裝技術(shù)，相比于傳統(tǒng)的支架工法，節(jié)約了大量資金及工期。但整個施工過程中，橋塔自重及施工荷載僅靠自身承受。相比于傳統(tǒng)的支架工法，安全系數(shù)有所降低，橋塔也更容易受到風(fēng)載的影響，特別是地處于多風(fēng)的鄂爾多斯地區(qū)。為確保橋塔施工狀態(tài)的安全，對自立狀態(tài)的橋塔進(jìn)行風(fēng)洞試驗和分析，研究橋塔的抗風(fēng)性能，是非常必要的。

該橋于2009年10月開工建設(shè)，2011年6月建成通車。

圖2 成橋照片

2 橋位邊界層風(fēng)特性參數(shù)

2.1 設(shè)計基本風(fēng)速

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)，內(nèi)蒙東勝地區(qū)的基本風(fēng)速，即離地面10 m高度處百年一遇10 min平均年最大風(fēng)速為Vs10=33.7 m/s。

2.2 設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速

蘇揚公路2號橋周邊屬于B類地表，橋塔構(gòu)件基準(zhǔn)高度處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速按式(1)計算:

式中:Z表示離開水面的高度;Z10表示標(biāo)準(zhǔn)高度，即Z10=10 m;Vs10橋址處的設(shè)計風(fēng)速;α表示地表粗糙度系數(shù)，取α=0.16。

根據(jù)式(1)計算出橋塔設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為43.9 m/s。

對于施工階段，重現(xiàn)期按10 a考慮，根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)給出的重現(xiàn)期系數(shù)η取值為0.84，則其施工階段的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為:

2.3 馳振檢驗風(fēng)速

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》(JTG/T D60-01-2004)，橋塔自立狀態(tài)的馳振檢驗風(fēng)速取1.2倍的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速，即:

3 橋塔自立狀態(tài)動力特性計算

結(jié)構(gòu)動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎(chǔ)，為了進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)全過程動力響應(yīng)分析和橋塔氣彈模型風(fēng)洞試驗，必須首先計算橋塔自立狀態(tài)下的動力特性。為此，采用通用有限元分析軟件對橋塔的動力特性進(jìn)行分析。

3.1 有限元計算模型

橋塔為高70 m的卵形全鋼異型塔，塔柱采用矩形截面。塔柱和橫梁離散為空間梁單元，其中異型橫梁簡化為等截面橫梁加剛臂。自立狀態(tài)的有限元計算模型見圖3。

圖3 橋塔自立狀態(tài)有限元計算模型

3.2 動力特性計算結(jié)果

橋塔自立狀態(tài)自振頻率和振型描述見表1。

表1 橋塔自立狀態(tài)自振頻率和振型

4 橋塔氣動彈性模型設(shè)計［4-5］

4.1 相似性準(zhǔn)則

在橋塔氣彈模型設(shè)計制作中，不僅要模擬幾何尺寸和風(fēng)場特性，而且還要模擬氣動彈特性。一般說來，氣彈相似性包括結(jié)構(gòu)的長度、密度和彈性的相似條件以及氣流的密度和粘性、速度和重力加速度等的相似條件。橋塔氣彈模型風(fēng)洞試驗應(yīng)盡量滿足這些相似性條件。

考慮到實驗室邊界層風(fēng)洞的空間限制，以及盡可能模擬出橋塔結(jié)構(gòu)的細(xì)部形狀，橋塔氣彈模型采用1:100的幾何縮尺比制作常剛度氣彈模型。常剛度模型主要用于觀測橋塔的馳振、渦振、抖振等風(fēng)振現(xiàn)象，除了Reynolds數(shù)、Cauchy數(shù)以外，其余4個無量綱參數(shù)在該常剛度氣彈模型風(fēng)洞試驗中得到了嚴(yán)格模擬。

4.2 橋塔氣彈模型設(shè)計

蘇揚公路2號橋橋塔氣彈模型依據(jù)圖紙和前述結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果設(shè)計，見圖4。為了同時滿足以上無量綱參數(shù)的相似要求，氣彈模型設(shè)計主要從三方面進(jìn)行模擬，即彈性剛度、幾何外形和質(zhì)量系統(tǒng)。

圖4 橋塔氣彈模型

4.2.1 彈性剛度模擬

橋梁結(jié)構(gòu)氣動彈性模型的剛度完全由模型骨架提供，選用普通A3鋼作為骨架用材。根據(jù)彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的相似比要求，設(shè)計符合豎彎、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)剛度要求的凹形截面鋼骨架，鋼骨架的軸線與實際橋塔軸線一致，同時考慮剛域的影響。

4.2.2 幾何外形模擬

按照幾何相似比的要求，采用形狀相似的模型外衣模擬實際結(jié)構(gòu)的外形。

4.2.3 質(zhì)量系統(tǒng)模擬

根據(jù)質(zhì)量系統(tǒng)相似比的要求，扣除鋼骨架和外衣所提供的實際質(zhì)量和質(zhì)量慣矩，采用鉛塊為配重來補充不足部分的質(zhì)量，鉛塊對稱粘貼在外衣的內(nèi)側(cè)并通過調(diào)節(jié)鉛塊位置來達(dá)到滿足質(zhì)量慣矩相似比的要求。

5 大氣邊界層流場模擬

蘇揚公路2號橋橋塔氣動彈性模型風(fēng)洞測振試驗在同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。

本試驗分別在均勻流場和模擬大氣邊界層流場(也稱紊流場)中進(jìn)行。風(fēng)洞中大氣邊界層流場的模擬采用傳統(tǒng)的尖塔加粗糙元方法。

在邊界層風(fēng)場的各參數(shù)中，主要參數(shù)可以分成兩類，一為平均風(fēng)參數(shù)，另外則為紊流風(fēng)參數(shù)。

5.1 平均風(fēng)速

關(guān)于平均風(fēng)參數(shù)，在風(fēng)洞試驗過程中最為關(guān)注的就是平均風(fēng)速沿高度的分布。在邊界層風(fēng)場測試時，用熱線探頭在模型安裝位置沿高度處分別測量了設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速時平均風(fēng)速剖面，圖5給出了平均風(fēng)速剖面。

圖5 模擬風(fēng)場平均風(fēng)速剖面

從圖5中可以看出，模擬風(fēng)場的平均風(fēng)速剖面指數(shù)α=0.16。

5.2 紊流度

同樣，也在模型安裝位置沿高度處分別測量了風(fēng)場紊流度剖面，試驗實測結(jié)果見圖6。在抖振試驗中，來流的紊流度和風(fēng)譜(也即脈動風(fēng)中各個頻率分量)對試驗結(jié)果有著關(guān)鍵的影響。從圖6可見，模型區(qū)的紊流度有較好的分布規(guī)律，在0.65 H橋塔基準(zhǔn)高度處的實測紊流度平均值約11%左右，達(dá)到了模擬值的要求。

圖6 模擬風(fēng)場紊流度剖面

5.3 紊流功率譜密度

圖7為0.65 H橋塔基準(zhǔn)高度處的模擬紊流場順風(fēng)向脈動風(fēng)功率譜。

圖7 模擬紊流風(fēng)場0.65 H處脈動風(fēng)譜

6 橋塔施工狀態(tài)氣動彈性模型風(fēng)洞試驗

6.1 試驗工況

根據(jù)計算，橋塔施工完成未安裝斜拉索時(橋塔自立狀態(tài))為最不利狀態(tài)，以此時的橋塔作為氣彈模擬風(fēng)洞試驗的對象。橋塔自立狀態(tài)下一階橫橋向彎曲阻尼比為0.58%，一階順橋向彎曲阻尼比為0.42%，一階扭轉(zhuǎn)阻尼比為0.32%。

橋塔自立狀態(tài)氣彈模型分別進(jìn)行兩種流場風(fēng)洞試驗，即均勻流場和B類紊流場。在每個階段的每個流場試驗中，通過改變不同的偏角進(jìn)行吹風(fēng)試驗。每個風(fēng)速采樣頻率為200 Hz，采樣時間為60 s。

最后采取了從塔頂向邊跨方向拉一根康銅絲錨固在地上，且康銅絲中間連接一個阻尼圈的措施，使一階順橋向彎曲阻尼比提高到0.88%，見圖8。采取該措施后，選擇了風(fēng)偏角為0°、15°兩個典型試驗工況，進(jìn)行不同阻尼渦振性能對比試驗。

圖8 帶附加阻尼措施的氣彈模型

風(fēng)洞試驗共完成了兩種流場下共計20個試驗工況，見表2。

表2 試驗工況一覽表

6.2 測點布置和試驗?zāi)Ｐ?/p>

在主塔塔頂?shù)闹胁亢蛢蓚?cè)以及橋塔0.65 H高度處分別設(shè)置了加速度信號測點。在每個測點上都進(jìn)行了加速度測量。

6.3 主要試驗結(jié)果

設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速Vsd=36.9 m/s下，均勻流和B類紊流場中橋塔塔頂、0.65 H處順橋向、橫橋向和扭轉(zhuǎn)的風(fēng)振響應(yīng)的最不利狀態(tài)見表3。

表3 橋塔風(fēng)振響應(yīng)的最不利狀態(tài)

提高一階順橋向彎曲阻尼比前后，渦振性能對比試驗結(jié)果(風(fēng)偏角β=0°)，見圖9～圖11。

圖9 均勻流中減振前后順橋向位移對比(風(fēng)偏角β=0°)

圖10 均勻流中減振前后橫橋向位移對比(風(fēng)偏角β=0°)

圖11 均勻流中減振前后橫橋向位移對比(風(fēng)偏角β=0°)

7 結(jié)論

通過對試驗結(jié)果的分析可以得出以下結(jié)論:

(1)橋塔處于自立狀態(tài)時，各個風(fēng)偏角下沒有觀測到馳振等不穩(wěn)定現(xiàn)象，抖振響應(yīng)也比較小。

(2)在均勻流場、不同偏角的風(fēng)振響應(yīng)對比中，0°偏角為不利狀態(tài)。當(dāng)阻尼比為0.42%、風(fēng)速為35 m/s強風(fēng)下，順橋向彎曲渦振振幅位移極值為11.6 cm，達(dá)H/580。因此，施工中出現(xiàn)0°偏角的強風(fēng)時，要加強觀測，必要時停止施工，并采取有效減振措施。

(3)11%左右的紊流對渦振有明顯的抑制作用。處于自然風(fēng)場中的橋塔發(fā)生較大振幅的渦激振動可能性很小。

(4)當(dāng)采取增大阻尼的減振措施，即將順橋向彎曲振動阻尼比調(diào)高后，渦振得到明顯的抑制。因此，橋塔施工時設(shè)置臨時減振阻尼裝置，是應(yīng)對強風(fēng)下產(chǎn)生風(fēng)振的有效措施。

橋塔自立狀態(tài)風(fēng)洞試驗是針對蘇揚公路2號橋鋼拱塔施工狀態(tài)進(jìn)行的，為橋塔的施工提供了安全保障，并得出了一些有益的結(jié)論，對同類工程具有重要的借鑒意義。

［1］ 中國市政工程華北設(shè)計研究總院.蘇揚公路2號橋施工圖設(shè)計［Z］.2009.

［2］ 同濟大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室.蘇揚公路2號橋主橋抗風(fēng)研究報告［R］.上海:同濟大學(xué)，2010.

［3］ JTG/T D60-1-2004，公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范［S］.

［4］ 喻梅，廖海黎，李明水，等.大跨度橋梁斜風(fēng)作用下抖振響應(yīng)現(xiàn)場實測及風(fēng)洞試驗研究［J］.實驗流體力學(xué)，2013(6):51-55.

［5］ 白樺，劉健新，胡慶安.大跨度半拱式異形橋梁抗風(fēng)性能研究［J］.鄭州大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版)，2010(9):22-26.

U448.22

A

1009-7716(2015)04-0157-04

2014-12-12

徐治芹(1979-)，男，山東威海人，高級工程師，從事橋梁設(shè)計研究工作。