林繼喬

（佛山市路橋建設有限公司，廣東 佛山528313）

佛山奇龍大橋抗風性能研究

林繼喬

（佛山市路橋建設有限公司，廣東 佛山528313）

以廣東佛山奇龍大橋為工程背景，研究混合梁獨塔斜拉橋在施工和成橋階段的抗風性能。按照規(guī)范獲得了大橋的基本風速、設計基準風速以及顫振檢驗風速，并利用數(shù)值方法對大橋的成橋階段與施工最長懸臂階段的動力特性進行了分析。結合風洞節(jié)段模型試驗結果對其渦激振動、氣動穩(wěn)定性、三維靜風穩(wěn)定性進行了分析。結果表明，奇龍大橋新型的截面外形設計具有良好的抗風穩(wěn)定性能，滿足相關規(guī)范要求。

斜拉橋；抗風性能；數(shù)值計算；模型試驗

1　工程概況

佛山市魁奇路東延線二期工程奇龍大橋主橋設計為獨塔斜拉橋，跨徑組合為66 m+69 m+260 m=395m，邊中跨比0.52，總體布置如圖1所示。采用雙索面布置，塔墩梁固結，邊墩設縱向活動支座。橋面全寬40.5 m，主塔采用菱形橋塔，主塔塔身總高143 m，上塔柱高約118 m，下塔柱高約25 m。主梁在中跨近主塔處設置鋼混結合段，中跨247 m采用鋼箱梁，如圖2所示。邊跨采用預應力混凝土箱梁，梁高3.5 m。為保證此類混合梁獨塔斜拉橋在整個施工以及運營期間的抗風安全，結合國內(nèi)外學者研究成果[1-5]，對大橋主橋的抗風性能進行了研究。本文總結了廣東佛山奇龍大橋抗風性能研究的部分研究成果。

圖1　佛山奇龍大橋總體布置圖（單位：cm）

圖2　佛山奇龍大橋主跨鋼箱梁布置圖（單位：cm）

2　基本風速、設計基準風速、顫振檢驗風速的確定

根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG D60-01—2004）中的全國基本風速分布圖和全國各氣象臺站的基本風速值，奇龍大橋橋位處標準高度10 m、平均時距10 min、重現(xiàn)期100 a的基本風速可以按照相鄰城市（廣州市）風速較大值取為31.3 m/s。奇龍大橋橋位場地地表類別為B類，冪指數(shù)α= 0.16，由此可以得到主橋橋位10 m高度處的設計基本風速為：

橋梁設計基準風速可以按照式（2）確定：

式中：Z表示跨中橋面離開水面的高度；Z10表示標準高度，即 Z10=10 m；V10表示橋位10 m高度處設計基本風速，即V10=31.3 m/s；α表示冪指數(shù)，取α=0.16。

橋面離水面高度按平均水位計算為z=28.9 m，則成橋狀態(tài)橋面高度處設計基準風速為Vd=37.1m/s。施工期間，按照30 a重現(xiàn)期，則施工期間的設計基準風速Vsd=34.1 m/s。

成橋階段的顫振檢驗風速可以按式（3）計算：

相應的施工階段顫振檢驗風速為：

3　結構動力特性

橋梁結構動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎。采用ANSYS有限元分析軟件對奇龍大橋的成橋狀態(tài)與最長懸臂狀態(tài)的動力特性進行了分析。根據(jù)結構的總體布置以及構造特點，建立全橋成橋狀態(tài)以及最長單懸臂施工狀態(tài)的有限元模型，分別見于圖3（a）、圖3（b）。奇龍大橋采用全橋空間有限元模型，其中主梁采用梁單元模擬，斜拉索采用空間桿單元模擬，二期恒載假設均勻分布于橋面系上，并考慮其平動質(zhì)量和質(zhì)量慣矩。橋塔與主梁采用塔梁固結體系的結構形式。

圖3　奇龍大橋動力特性分析有限元模型

通過分析發(fā)現(xiàn)，大橋成橋狀態(tài)豎彎基頻為0.425 8 Hz，扭轉基頻為0.908 6 Hz，扭轉頻率比為2.13。豎彎等效質(zhì)量為36.249 t/m，扭轉等效質(zhì)量慣性矩為5 895.1 t·m2/m。

同樣，針對奇龍大橋施工最長懸臂狀態(tài)下的結構動力特性計算結果顯示，施工狀態(tài)豎彎基頻為0.325 4 Hz，扭轉基頻為0.730 4 Hz，扭轉頻率比為2.24。豎彎等效質(zhì)量為26.46 t/m，扭轉等效質(zhì)量慣性矩為4 394.21 t·m2/m。

4　顫振試驗研究

奇龍大橋位于B類風環(huán)境區(qū)域，橫橋向橋面高度來流風按照-3°～+3°范圍考慮。通過直接試驗法測定的結構在均勻流場中的顫振臨界風速和實測的位移隨風速增加的變化規(guī)律，考慮了成橋狀態(tài)與最長單懸臂施工狀態(tài)兩種工況。圖4為節(jié)段模型風洞試驗。根據(jù)實橋主梁斷面尺寸、風洞試驗尺寸和直接實驗法要求，選取節(jié)段模型的縮尺比為1/70。

圖4　節(jié)段模型風洞試驗

顫振穩(wěn)定性試驗結果表明：成橋狀態(tài)在風攻角-3°、0°及+3°下的顫振臨界風速最小值為128 m/s，高于該橋的顫振檢驗風速58.4 m/s，因此顫振滿足規(guī)范要求。同樣施工狀態(tài)在風攻角-3°、0°及+3°下的顫振臨界風速最小值為125.6 m/s，高于該橋的顫振檢驗風速53.8 m/s，因此顫振滿足規(guī)范中對顫振穩(wěn)定性的要求。表1為主梁斷面不同風攻角下的顫振臨界風速結果。

表1　顫振臨界實橋風速

5　渦激振動試驗

針對奇龍大橋成橋狀態(tài)原型斷面及各種氣動外形進行了節(jié)段模型渦振風洞試驗，分別在均勻流場與紊流場中進行，試驗風攻角為-3°～+3°。根據(jù)《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D60-01—2004）中的規(guī)定，成橋狀態(tài)扭轉渦激共振振幅允許值與成橋狀態(tài)豎彎渦激共振振幅允許值分別為：

試驗結果表明，原型斷面在均勻流場中發(fā)現(xiàn)了大幅渦激振動，不能滿足規(guī)范要求。通過一系列氣動外形的測試表明，降低欄桿基座高度并增設風嘴可以抑制渦振。鑒于均勻流場下原始方案發(fā)生了渦激振動，開展了低紊流場下的渦激振動試驗研究，試驗中未發(fā)現(xiàn)渦激振動，說明大橋在實際風場中發(fā)生渦激振動的可能性很低。

6　三維靜風穩(wěn)定數(shù)值分析

大跨度纜索承重橋梁在靜風荷載作用下，主梁發(fā)生彎曲和扭轉變形。當來流風速超過臨界風速時，隨著結構變形的增大，結構抗力的增加速度小于靜風荷載增加速度，此時結構發(fā)生靜風失穩(wěn)。靜風失穩(wěn)是靜風荷載與結構變形耦合作用的一種體現(xiàn)。采用計入三分力效應的非線性有限元分析方法，通過全過程跟蹤計算出橋梁結構在恒載和靜風荷載共同作用下的主梁豎向、側向和扭轉位移隨風速變化規(guī)律，并確定廣東佛山奇龍大橋獨塔雙索面斜拉橋結構靜風失穩(wěn)臨界風速。三維靜風穩(wěn)定性數(shù)值分析考慮成橋狀態(tài)-3°、0°和+3°三種風攻角。分析計算結果見圖5所示。

圖5　成橋及施工狀態(tài)+3°風攻角主梁扭轉角變化情況

計算結果表明，奇龍大橋成橋狀態(tài)與施工最長懸臂狀態(tài)的三維靜風穩(wěn)定性能良好，在0°、+3°、-3°風攻角時在150 m/s以內(nèi)未發(fā)生靜風失穩(wěn)，橋梁滿足靜風穩(wěn)定性要求。

7　結　論

通過針對奇龍大橋節(jié)段模型試驗、抗風數(shù)值分析，對大橋的抗風性能進行了全面評價，可以得到以下結論：

（1）奇龍大橋成橋狀態(tài)與最長單懸臂施工狀態(tài)的顫振臨界風速均高于顫振檢驗風速，滿足顫振穩(wěn)定性要求。

（2）在均勻流場中，觀測到了豎彎和扭轉渦振現(xiàn)象，然而在低紊流場中，渦振現(xiàn)象消失。這表明紊流對于渦振有較好的抑制作用，可以認為位于自然風場中成橋狀態(tài)下發(fā)生渦振現(xiàn)象的可能性較低。進一步氣動外形優(yōu)化試驗表明，降低欄桿高度、改變風嘴外形可以有效地抑制渦激振動。

（3）奇龍大橋成橋狀態(tài)與施工最長懸臂狀態(tài)的三維靜風穩(wěn)定性能良好，在0°、+3°、-3°風攻角時在150 m/s以內(nèi)未發(fā)生靜風失穩(wěn)現(xiàn)象，橋梁滿足靜風穩(wěn)定性要求。

[1]余俊林，宋錦忠，丁望星.湖北鄂東長江公路大橋抗風穩(wěn)定性能研究[J].橋梁建設，2009(1)：29-32．

[2]羅濤.營口遼河公路大橋抗風性能研究 [J].公路交通科技，2009，26(2)：103-107．

[3]李玲瑤，葛耀君.大沽河航道橋抗風性能試驗研究[J].武漢理工大學學報，2007，29(12)：84-87．

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[5]張偉，葛耀君.導流板對大跨度橋梁風振響應影響的流場機理[J].中國公路學報，2004，22(3)：52-57.

中國最長湖底隧道開通

東湖湖底隧道歷時3年時間于2015年12月28上午10時正式開通。這條東湖隧道穿過中國最大的城中湖——武漢東湖，建成通車后是我國目前最長的湖底隧道。

東湖通道起于二環(huán)線水東段主線高架橋（紅廟立交），止于喻家湖路（喻家山北路路口），全長約10.634 km。其中，東湖隧道段長7.035 km，為我國目前最長的湖底隧道。工程主線為雙向6車道，設計車速為60 km/h。

東湖通道項目于2012年10月27日正式開工，總投資為78.38億元，其中東湖隧道段橫貫東湖風景區(qū)，總投資約為63億元，隧道建設以保護東湖風景區(qū)的水質(zhì)和生態(tài)為設計理念。

東湖通道串起了武昌和光谷，通車后成為武昌直達光谷的快速路，為擁堵不堪的武珞路—珞喻路“分憂解愁”。東湖未來還將建設一條植物園隧道，從花山嚴西湖大橋下穿，穿過東湖到光谷魯磨路，設計雙向6車道，將與東湖隧道呈交叉之勢。在東湖隧道建設過程中，已預留了植物園隧道口，為將來的施工提供便利。

U441

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1009-7716（2016）02-0104-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.027

2015-12-02

林繼喬(1962-)，男，江蘇揚中人，高級工程師，副總經(jīng)理兼總工，從事橋梁設計、施工及管理工作。