王 凱，張光舉，曹平輝(四川省鐵路產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610041)

大跨管道懸索橋抗風(fēng)特性試驗研究

王 凱，張光舉，曹平輝
(四川省鐵路產(chǎn)業(yè)投資集團(tuán)有限責(zé)任公司, 四川成都 610041)

大跨度管道懸索橋，由于沒有橋面板，其抗風(fēng)特性與普通懸索橋具有一定的差異，目前沒有專門的管道橋抗風(fēng)規(guī)范，抗風(fēng)問題已成為管道橋設(shè)計中的重要考慮因素。文章以某大跨度管道懸索橋為工程背景，總結(jié)山區(qū)峽谷管道橋設(shè)計風(fēng)參數(shù)的選取方法，得到管道橋橋面高度處的設(shè)計風(fēng)速。通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗，獲取了管道橋的氣動力系數(shù)，為橋梁的抗風(fēng)設(shè)計提供重要參數(shù)。通過節(jié)段段模型動力試驗，詳細(xì)研究了該橋的氣動性能。最后給出了管道橋的全橋氣彈模型試驗的風(fēng)致響應(yīng)特性。研究結(jié)果表明，跨度不超過300 m的管道懸索橋具有很好的抗風(fēng)安全性，為以后管道橋抗風(fēng)規(guī)范的編寫等提供參考和依據(jù)。

管道橋；懸索橋；節(jié)段模型；氣彈模型；風(fēng)洞試驗

在我們西南山區(qū)管道的修建過程中，經(jīng)常需要跨越河流、湖泊、沼澤、沖溝、山谷等障礙物，這時就需要建設(shè)管道跨越結(jié)構(gòu)[1]。當(dāng)河谷的寬度比較大時，管道懸索橋就成為了跨越結(jié)構(gòu)的首選橋型[2]。

大跨度懸索橋由于其結(jié)構(gòu)輕柔、阻尼較小、自振頻率低，對風(fēng)的作用比較敏感，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能已成為大跨懸索橋設(shè)計中必須考慮的重要方面。顫振作為一種發(fā)散性的運(yùn)動，在大跨橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性設(shè)計中是重點考慮的一環(huán)[3]。

由于管道懸索橋都是桁架結(jié)構(gòu)，桁架梁是大跨度懸索橋較常采用的一種斷面形式，桁架斷面具有抗扭剛度大、透風(fēng)率高及方便在運(yùn)輸困難地區(qū)施工等優(yōu)點。但是桁架梁也有它特有的一些特性，如顫振性能較差等，因此對于管道懸索橋，有必要研究清楚大跨管道懸索橋可能出現(xiàn)的空氣動力特性、大跨管道橋的風(fēng)振等問題。

本文研究對象為西南山區(qū)一座主跨280 m鋼桁梁管道懸索橋(圖1)，主梁為桁梁式結(jié)構(gòu)，寬10 m，大纜采用雙索面，垂跨比為1/10，橋面結(jié)構(gòu)主要采用槽鋼，由高強(qiáng)螺栓連接(圖2)。橋塔采用鋼箱式橋塔，每隔2 m設(shè)置一道橫隔板，并設(shè)置檢修通道。該橋處于深切峽谷地區(qū)，氣象條件復(fù)雜。通過風(fēng)參數(shù)計算、風(fēng)洞試驗等詳細(xì)研究了大跨管道橋的抗風(fēng)性能和抗風(fēng)安全性。

圖1 橋型布置

圖2 主梁斷面

1 橋位風(fēng)參數(shù)

大橋橋址處為典型的峽谷地貌。為了準(zhǔn)確把握橋址處的實際風(fēng)環(huán)境，從《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[4]中取得橋位200 km范圍內(nèi)三個地區(qū)的最大風(fēng)速和對應(yīng)的百年風(fēng)速，應(yīng)用統(tǒng)計學(xué)中Gumbel Type I 極值分布計算得到橋位處基本風(fēng)速[5]為25.6 m/s。

由于大橋位于山區(qū)峽谷，橋面高度處設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速的確定還需要考慮山區(qū)峽谷的影響，即山區(qū)峽谷對基本風(fēng)速的修正。假設(shè)大橋橋址處“虛擬”標(biāo)準(zhǔn)氣象站的基本風(fēng)速為峽谷進(jìn)口風(fēng)速，對于建于峽谷處的橋梁，可以借用以下經(jīng)驗關(guān)系式獲得設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速[6]：

(1)

式中：ud為建于峽谷上口處橋梁的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速；u10為橋位虛擬氣象站的基本風(fēng)速，即設(shè)為峽谷進(jìn)口風(fēng)速；H為峽谷深度，當(dāng)橋梁建于峽谷上口處，可取橋面至峽谷下底面的高度；B1為峽谷上口處寬度，一般為橋梁橋面長度；B2為峽谷下底面寬度；κ為山谷效應(yīng)修正系數(shù)。由式(1)計算出大橋設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速見表1。

表1 設(shè)計風(fēng)參數(shù) m/s

2 有限元計算分析

根據(jù)前面的設(shè)計資料，采用通用的有限元軟件對橋梁結(jié)構(gòu)的動力特性進(jìn)行計算分析，當(dāng)有荷載作用在橋梁結(jié)構(gòu)上時，橋梁結(jié)構(gòu)會發(fā)生一定的幾何變形，因此在進(jìn)行模態(tài)分析前必須對結(jié)構(gòu)進(jìn)行恒載作用下靜力分析，然后更新結(jié)構(gòu)的幾何剛度矩陣。在有限元計算中，大橋在成橋狀態(tài)時，其約束條件為：橋塔底部按照實際條件設(shè)置固定約束，6個自由度全部限定；兩個主塔處的墩柱在豎向、橫向及順橋向的扭轉(zhuǎn)3個自由度與主梁進(jìn)行耦合限定；主纜于錨碇處固定。計算出的橋梁結(jié)構(gòu)成橋態(tài)下的振動頻率和振動質(zhì)量見表2。橋梁成橋態(tài)時的部分振型見圖3。

表2 成橋狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性

注：表格中—表示數(shù)值較大，即在該方向沒有振動；振動特點中V表示豎向，L表示橫向，T表示扭轉(zhuǎn)，A表示正對稱，S表示反對稱，數(shù)字表示階次。

3 節(jié)段模型試驗

在進(jìn)行階段模型設(shè)計時，按照主梁的設(shè)計方案，主梁每個節(jié)間長1.25 m，考慮到制作模型時，模型的桁架節(jié)間為整數(shù)，模型采用1∶19.5的幾何縮尺比。模型弦桿采用優(yōu)質(zhì)木材制作，其余桿件、橋面防撞護(hù)欄、人行道護(hù)欄、檢修軌道等均采用塑料板雕刻而成[7]。

3.1 靜力試驗

靜力試驗主要是測量主梁的靜力三分力系數(shù)。靜力三分力系數(shù)反映了風(fēng)對橋梁結(jié)構(gòu)的定常氣動作用，是表征在平均風(fēng)作用下各類結(jié)構(gòu)斷面受力情況的無量綱系數(shù)。通過測試主梁在不同攻角下的三分力系數(shù)，可以為主梁的靜風(fēng)穩(wěn)定性計算、抖振計算等提供必要的計算參數(shù)，從而可評價主梁發(fā)生靜風(fēng)失穩(wěn)的可能性和抖振力的大小。

(a) 第2階振型(對稱橫彎0.25 Hz)

(b) 第3階振型(反對稱豎彎0.36 Hz)

(c) 第4階振型(對稱豎彎0.43 Hz)

(d) 第8階振型(反對稱橫彎0.89 Hz)圖3 部分振型

試驗在均勻流條件下進(jìn)行，試驗攻角為：α=-12°～+12°，Δα=1°。對管道懸索橋主跨標(biāo)準(zhǔn)梁段在成橋狀態(tài)時進(jìn)行試驗，測試整體主梁在不同攻角下的三分力系數(shù)，測試風(fēng)速15 m/s，試驗結(jié)果分別以體軸和風(fēng)軸系下的靜力三分力系數(shù)曲線及數(shù)據(jù)列表的形式給出。靜力試驗的模型見圖4，試驗結(jié)果見圖5。

3.2 動力試驗

動力節(jié)段模型是用彈簧(模擬橋梁的等效剛度和彈性約束)將剛性節(jié)段模型懸掛在風(fēng)洞中，通過直接測量隨風(fēng)速和攻角變化的振動信息，評價主梁的顫振和渦振性能的常用試驗方法[8-9]。試驗?zāi)Ｐ筒捎煤挽o力試驗相同的模型，表3為動力試驗?zāi)Ｐ偷膮?shù)。圖6為安裝在風(fēng)洞中的動力試驗?zāi)Ｐ汀?/p>

圖4 靜力試驗的節(jié)段模型

(a) 體軸系

(b) 風(fēng)軸系圖5 主梁三分力系數(shù)曲線

表3 節(jié)段模型主要試驗參數(shù)

注：表3中數(shù)字意義同表2。

圖6 動力試驗的節(jié)段模型

試驗在均勻流中進(jìn)行，模型系統(tǒng)的阻尼比取為0.5 %，試驗風(fēng)速比為4.4。分別進(jìn)行了-3°、0°、+3° 三種攻角情況下的試驗。在試驗風(fēng)速和攻角范圍內(nèi)，主梁成橋階段和施工階段都沒有發(fā)生顫振失穩(wěn)，也沒有發(fā)現(xiàn)豎向和扭轉(zhuǎn)渦激振動。

從表4中可以看出大橋主梁在-3°、0°和3° 三個攻角下顫振臨界風(fēng)速均高于顫振檢驗風(fēng)速，主梁具有很好的顫振安全性。

表4 主梁的顫振臨界風(fēng)速

4 全橋氣彈模型試驗

全橋氣動彈性模型能較真實地模擬結(jié)構(gòu)的動力特性，較準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)與空氣的動力相互作用，主要用于檢驗橋梁結(jié)構(gòu)在均勻來流下的靜風(fēng)穩(wěn)定、渦振、顫振、馳振等氣動性能，以及在紊流條件下的抖振性能等[10]。

考慮到大橋主梁全長以及風(fēng)洞試驗段的尺寸及橋梁結(jié)構(gòu)的規(guī)模，將全橋氣彈模型的幾何縮尺比定為CL=1/20，則氣彈模型主跨長14 m，橋塔高1.65 m。安裝氣彈模型后，風(fēng)洞中的空氣阻塞度小于3 %(一般情況，風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ驮陲L(fēng)洞中的空氣阻塞度應(yīng)小于5 %)。

風(fēng)洞試驗中氣彈模型由很多段桁架組成，每段桁架之間由彈簧扣來連接，不足的重量由鉛塊等重物配在石油和天然氣管道內(nèi)。在試驗中，利用位移計來測量模型主梁的位移響應(yīng)，利用貼在橋塔芯梁上的應(yīng)變片來檢測模型橋塔的內(nèi)力。

根據(jù)力學(xué)相似理論，用于風(fēng)洞試驗的全橋氣動彈性模型應(yīng)遵循一定的相似準(zhǔn)則進(jìn)行設(shè)計，即在原型(實橋)和模型之間保持無量綱參數(shù)的一致性，相似準(zhǔn)則見表5。

表5 模型設(shè)計的相似準(zhǔn)則

其中：ρ為空氣密度；V為風(fēng)速；b為結(jié)構(gòu)特征尺度；EA、EI和GK分別為拉壓剛度、彎曲剛度和自由扭轉(zhuǎn)剛度；m和Im分別為單位長度的質(zhì)量和質(zhì)量慣矩；ζ為結(jié)構(gòu)模態(tài)阻尼比。

全橋氣動彈性模型由主梁、橋塔、大纜、吊索及支座等構(gòu)成。其中主梁由很多小段桁架梁段和彈簧扣組成；橋塔部件由芯梁和氣動外形組成；大纜由鋼絞線提供其剛度并由鐵塊套在外面控制重量；吊索由沒有剪切剛度但拉伸剛度很大的鋼絲組成；石油和天然氣管道由塑料管里面加鉛塊配重組成；橋面欄桿用高級塑料板模擬氣動外型。安裝在實驗室中的模型如圖7所示。

圖7 全橋氣彈模型

在進(jìn)行試驗前，首先要進(jìn)行氣彈模型的模態(tài)測試，模態(tài)測試的目的是檢驗全橋模型的結(jié)構(gòu)動力特性是否與原型理論計算值之間滿足相似關(guān)系。模型的動力特性(振型、頻率、阻尼)采用用強(qiáng)迫振動法測量。利用激光位移傳感器傳感器用來獲取模型的振動信號。測試所得成橋狀態(tài)氣彈模型的模態(tài)結(jié)果見表6。從表中可以看出，模型幾個重要模態(tài)的頻率測試值與要求值吻合良好，結(jié)構(gòu)阻尼比也在合理范圍內(nèi)，從而保證了模型結(jié)構(gòu)動力特性與原型相似。全橋氣彈模型試驗結(jié)果見表7。

表6 模態(tài)測試結(jié)果

從表7中可以看出，無論是在均勻流還是紊流中，模型的位移都基本小于50 mm，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許的范圍，橋梁結(jié)構(gòu)具有很好的抗風(fēng)安全性。

5 結(jié)論

通過橋位風(fēng)參數(shù)計算、節(jié)段模型風(fēng)洞試驗、全橋氣彈模型風(fēng)洞試驗及結(jié)果分析，可得到以下主要結(jié)論：

表7 設(shè)計風(fēng)速下的位移響應(yīng)

(1)大跨管道懸索橋，雖然沒有橋面板系統(tǒng)，但是其具有與普通桁架梁懸索橋類似的氣動特性，結(jié)構(gòu)動力特性與窄橋類似。

(2)大跨管道懸索橋不同于普通的桁架懸索橋，具有很好的顫振穩(wěn)定性，不用進(jìn)行氣動外形的優(yōu)化。

(3)大跨管道懸索橋在設(shè)計風(fēng)速下的位移很小，遠(yuǎn)小于規(guī)范允許值，具有很好的抗風(fēng)安全性。

(4)管道懸索橋不同于普通的懸索橋，目前沒有專門的規(guī)范可以采樣，在應(yīng)用于工程實際時，還需通過試驗確定橋梁的抗風(fēng)安全性。

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國家自然科學(xué)基金(51278435)

U441.3

A

[定稿日期]2016-01-25

[作者信息]王凱(1988～)，男，博士，主要從事橋梁工程研究。