劉志文+丁冬+賈亞光+陳政清

摘 要：針對湖南郴州赤石大橋施工期橋位風(fēng)特性及風(fēng)致振動響應(yīng)進(jìn)行了現(xiàn)場實測與分析.對觀測期大風(fēng)天氣橋面高度及橋塔塔頂處平均風(fēng)速、風(fēng)向、風(fēng)攻角及紊流度等風(fēng)特性參數(shù)進(jìn)行了分析，并對橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動響應(yīng)進(jìn)行了分析.結(jié)果表明：當(dāng)風(fēng)從北側(cè)吹時風(fēng)攻角變化范圍較大，而當(dāng)風(fēng)從南側(cè)吹時風(fēng)攻角變化范圍較??；橋梁結(jié)構(gòu)主梁雙懸臂施工期在大風(fēng)作用下風(fēng)振響應(yīng)主要表現(xiàn)為“整體側(cè)彎”以及“整體豎擺”振動； 橋梁懸臂施工期結(jié)構(gòu)自振頻率實測值與有限元分析結(jié)果吻合較好.

關(guān)鍵詞：山區(qū)地形；斜拉橋；風(fēng)特性；風(fēng)振響應(yīng)；現(xiàn)場實測

中圖分類號：U448.27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的進(jìn)一步推進(jìn)，跨海灣、山區(qū)峽谷大跨橋梁將逐漸成為今后若干時期內(nèi)大跨橋梁建設(shè)的重點(diǎn).目前我國已有多座已建或在建的跨越山區(qū)峽谷的大跨橋梁，如貴州壩陵河大橋、湖南矮寨大橋、湖北四渡河大橋、云南普立大橋、湖南赤石大橋等.大跨斜拉橋多采用懸臂施工法進(jìn)行建造，其在主梁懸臂施工期結(jié)構(gòu)自振頻率較低，在大風(fēng)作用下易發(fā)生振動，因此大跨斜拉橋施工期風(fēng)致振動問題是該類橋梁抗風(fēng)設(shè)計重點(diǎn)關(guān)注內(nèi)容之一.

山區(qū)峽谷橋址風(fēng)場特性與沿海及平原地區(qū)橋址風(fēng)場特性有明顯的區(qū)別，山區(qū)峽谷橋位風(fēng)特性復(fù)雜、具有陣風(fēng)大、湍流度大和非平穩(wěn)性等特點(diǎn).復(fù)雜山區(qū)地形的風(fēng)特性研究早在20世紀(jì)70年代就受到關(guān)注[1].現(xiàn)場實測是復(fù)雜地形風(fēng)特性研究的有效方法之一.Mouzakis等對希臘雅典附近某風(fēng)電場風(fēng)特性進(jìn)行了實測研究，分別給出了不同風(fēng)速范圍風(fēng)速、風(fēng)攻角、脈動風(fēng)譜等參數(shù)[2].宋麗莉等對壩陵河大橋橋位風(fēng)特性進(jìn)行了實測研究.研究表明：深切峽谷地形完全改變了局地低層風(fēng)場，不僅風(fēng)向和最大風(fēng)速發(fā)生了改變，而且風(fēng)垂直輪廓線也完全不滿足冪指數(shù)分布；不同風(fēng)向湍流強(qiáng)度和不同風(fēng)向大風(fēng)在縱、橫、垂直方向湍流強(qiáng)度比值也有很明顯的差異[3].龐加斌等針對四渡河大橋橋位脈動風(fēng)特性進(jìn)行了實測研究.研究表明：山區(qū)深切峽谷地形導(dǎo)致脈動風(fēng)湍流強(qiáng)度明顯增大，湍流強(qiáng)度隨平均風(fēng)速增大而減??；湍流積分尺度隨平均風(fēng)速增大而增大[4].李永樂等針對某V型深切峽谷橋位風(fēng)特性進(jìn)行了實測研究，提出了深切峽谷區(qū)大跨度橋梁復(fù)合風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)概念[5].

近年來，針對大跨橋梁風(fēng)致振動響應(yīng)實測也逐漸受到關(guān)注.Bietry等針對SaintNazaire斜拉橋進(jìn)行風(fēng)致振動響應(yīng)實測研究，以獲得橋位風(fēng)特性，同時檢驗Davenport準(zhǔn)定常抖振理論[6].Larose針對丹麥大海帶東橋在橋塔施工期進(jìn)行了風(fēng)觀測和結(jié)構(gòu)響應(yīng)實測.研究表明：開闊近海區(qū)域脈動風(fēng)紊流度較低，試驗和實測均觀測到橋塔順風(fēng)向渦振現(xiàn)象[7].Frandsen針對丹麥大海帶東橋進(jìn)行了風(fēng)振響應(yīng)實測研究.實測表明主梁表面壓力與主梁振動加速度響應(yīng)相關(guān)性在“鎖定”區(qū)較強(qiáng)；實測渦振鎖定區(qū)與試驗預(yù)測結(jié)果接近，但渦振振幅要大于試驗預(yù)測結(jié)果[8].Macdonald針對第二塞文橋施工和成橋運(yùn)營階段風(fēng)振響應(yīng)進(jìn)行了實測研究[9].廖海黎等分別針對蘇通長江公路大橋和西堠門大橋進(jìn)行了施工階段主橋結(jié)構(gòu)橋位風(fēng)觀測與主橋結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動響應(yīng)實測研究，對這兩座橋施工期抗風(fēng)性能評估提供了必要依據(jù)[10].Siringoringo針對日本白鳥懸索橋進(jìn)行了大風(fēng)天氣風(fēng)振響應(yīng)實測.研究表明主梁豎向振動與橋塔順橋向振動響應(yīng)隨著風(fēng)速增加而增加；當(dāng)風(fēng)速為14～24 m/s時觀測到橋塔順風(fēng)向的明顯振動，該振動可能由橋塔前、后塔柱之間氣動干擾效應(yīng)引起[11-12].

綜合所述，盡管已有部分學(xué)者針對復(fù)雜山區(qū)橋位風(fēng)特性進(jìn)行了現(xiàn)場實測研究，但鑒于實際橋位地形差別較大，目前對于復(fù)雜山區(qū)地形橋位風(fēng)特性的認(rèn)識還比較粗略；且山區(qū)橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動響應(yīng)實測研究較少.因此有必要針對復(fù)雜山區(qū)地形橋位風(fēng)特性和橋梁結(jié)構(gòu)施工期振動響應(yīng)進(jìn)行實測.本文以在建赤石大橋為依托，主要開展施工期橋位風(fēng)特性和風(fēng)致振動響應(yīng)實測研究.

1 橋位風(fēng)觀測系統(tǒng)簡介

赤石大橋位于廈門至成都國家高速公路湖南省汝城至郴州段，主橋為四塔五跨預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑布置為：165+3×380+165=1 470 m，大橋立面布置圖如圖1所示.橋面距離地面182 m.混凝土主梁采用掛籃懸臂澆筑法施工，主梁雙懸臂施工期結(jié)構(gòu)自振頻率較低，對風(fēng)作用敏感.橋位附近地形較為復(fù)雜，在施工過程中橋位處發(fā)生過多次突發(fā)大風(fēng)，10 m高度處瞬時風(fēng)速最高達(dá)32 m/s.為確保大橋施工期抗風(fēng)安全，對該橋進(jìn)行施工期橋位風(fēng)特性和風(fēng)振響應(yīng)實測研究.

綜合考慮橋位地形特點(diǎn)和大橋施工進(jìn)度，分別在大橋6#，7#橋塔對應(yīng)的主梁及塔頂位置布置風(fēng)速儀和加速度傳感器，對大橋施工期橋位風(fēng)特性和風(fēng)致振動響應(yīng)進(jìn)行實測.根據(jù)大橋施工進(jìn)度，實測分兩階段實施.第一期2014年1月1日～2014年6月10日，分別在6#，7#橋塔塔頂、主梁2#塊等位置布置風(fēng)速儀和加速度傳感器.第二期2014年6月10日～2014年12月31日，分別在6#，7#橋塔塔頂、主梁1/4跨等位置布置風(fēng)速儀和加速度傳感器，具體布置和現(xiàn)場照片分別如圖2和圖3所示.風(fēng)觀測系統(tǒng)由三維超聲風(fēng)速儀（Young81000）、二維機(jī)械風(fēng)速儀（Young 05103）、數(shù)據(jù)采集儀（Campbell公司CR1000動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀）、供電系統(tǒng)及無線傳輸系統(tǒng)等組成，具體布置及采樣頻率見表1.橋梁結(jié)構(gòu)振動響應(yīng)測試系統(tǒng)由加速度傳感器（941B型超低頻拾振器）、數(shù)據(jù)采集儀（UEILogger300動態(tài)數(shù)據(jù)采集儀）等組成，具體布置及采樣頻率見表2.規(guī)定風(fēng)從正北方向吹來時風(fēng)向角為β=0°.

2 橋位風(fēng)特性實測結(jié)果

2.1 平均風(fēng)速和風(fēng)向

限于篇幅，僅給出觀測期兩個大風(fēng)天氣（20140703，20141005）6#，7#橋塔塔頂、橋面高度處10 min時距平均風(fēng)速和風(fēng)向曲線.圖4所示為2014年7月3日全天10 min時距平均風(fēng)速和風(fēng)向曲線.由圖4可知，2014年7月3日早上6：40～8：20期間風(fēng)速較大，10 min時距平均風(fēng)速最大值約為12.0 m/s，對應(yīng)風(fēng)向大致為南風(fēng).圖5所示2014年7月3日大風(fēng)時段（6：40～8：20）橋位風(fēng)觀測點(diǎn)10 min時距平均風(fēng)速和風(fēng)向曲線.由圖5可知，62#測點(diǎn)（6#橋塔塔頂）風(fēng)速與6#塔橋面處風(fēng)速以及7#塔對應(yīng)塔頂、橋面處風(fēng)速相比明顯偏小，該大風(fēng)時段各觀測點(diǎn)主導(dǎo)風(fēng)向基本為南風(fēng).

2.3 湍流度

圖10所示為2014年10月5日橋面高度處10 min時距平均風(fēng)速及湍流度曲線.表4給出了觀測期間大風(fēng)天氣大風(fēng)時段湍流度變化范圍及均值.由圖10及表4可知，不同大風(fēng)天氣大風(fēng)時段61#測點(diǎn)順風(fēng)向湍流強(qiáng)度平均值約為0.15～0.23，橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度平均值約為0.13～0.17，豎向湍流強(qiáng)度平均值約為0.13～0.19，對應(yīng)湍流度平均值的比值為1∶0.79∶0.84，順風(fēng)向與水平橫風(fēng)向的湍流強(qiáng)度比值接近于規(guī)范推薦值1∶0.88，而順風(fēng)向與豎向湍流強(qiáng)度的比值則比規(guī)范推薦值1∶0.5大.不同大風(fēng)天氣大風(fēng)時段71#測點(diǎn)順風(fēng)向湍流強(qiáng)度平均值約為0.17～0.32，橫風(fēng)向湍流強(qiáng)度平均值約為0.14～0.21，豎向湍流強(qiáng)度平均值約為0.08～0.12，對應(yīng)湍流度平均值的比值為1∶0.71∶0.41，接近于規(guī)范推薦值1∶0.88∶0.5.

3 風(fēng)振響應(yīng)實測結(jié)果

比該狀態(tài)“橋梁整體豎擺”頻率計算結(jié)果偏大8.1%；主梁橫向振動卓越頻率為0.241 7 Hz，塔頂橫向振動卓越頻率為0.251 5 Hz，與橋塔橫向側(cè)彎頻率計算結(jié)果較為接近.實測結(jié)果表明：6#塔施工完12#梁段時，在大風(fēng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)表現(xiàn)為“整體側(cè)彎”以及“整體豎擺”振動；橋梁懸臂施工期結(jié)構(gòu)動力特性實測值與有限元分析結(jié)果吻合較好.

4 結(jié) 論

以在建的赤石大橋為依托，開展了山區(qū)地形高墩大跨橋梁施工期橋位風(fēng)特性與風(fēng)致振動響應(yīng)實測研究與分析，得到如下主要結(jié)論：

1）復(fù)雜山區(qū)地形橋面高度處風(fēng)速、風(fēng)向沿橋軸線方向存在一定的不均勻性；大風(fēng)天氣當(dāng)風(fēng)從北側(cè)吹時，風(fēng)攻角變化較大；而當(dāng)風(fēng)從南側(cè)吹時，風(fēng)攻角變化較小.

2）主梁施工期在大風(fēng)作用下橋梁結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)主要表現(xiàn)為“整體側(cè)彎”及“整體豎擺”振動.

3）橋梁懸臂施工期結(jié)構(gòu)自振頻率實測值與有限元分析結(jié)果吻合較好.

參考文獻(xiàn)

[1] WOOD N. Wind flow over complex terrain： A historical perspective and the prospect for largeeddy modeling[J].BoundaryLayer Meteorology， 2000，96：11-32.

[2] MOUZAKIS F， MORFIADAKIS E， DELLAPORTAS P. Fatigue loading parameter identification of a wind turbine operation in complex terrain[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1999，82（1/3）：69-88.

[3] 宋麗莉，吳戰(zhàn)平，秦鵬，等.復(fù)雜山地近地層強(qiáng)風(fēng)特性分析[J].氣象學(xué)報，2009，67（3）：452-460.

SONG Lili， WU Zhanping， QIN Peng， et al. An analysis of the characteristics of strong winds in the surface layer over a complex terrain[J]. Acta Meteorologica Sinica，2009，67（3）：452-460.（In Chinese）

[4] 龐加斌，宋錦忠，林志興.四渡河峽谷大橋橋位風(fēng)的湍流特性實測分析[J].中國公路學(xué)報，2010，23（3）：42-47.

PANG Jiabin， SONG Jinzhong， LIN Zhixing. Field measurement analysis of wind turbulence characteristics of Sidu River Valley Bridge site[J].China Journal of Highway and Transport， 2010，23（3）：42-47.（In Chinese）

[5] 李永樂，唐康，蔡憲棠，等.深切峽谷區(qū)大跨度橋梁的復(fù)合風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)[J].西南交通大學(xué)學(xué)報，2010，45（2）：167-173.

LI Yongle， TANG Kang， CAI Xiantang， et al. Integrated wind speed standard for longspan bridges over deepcutting gorge[J]. Journal of Southwest Jiaotong University， 2010，45（2）： 167-173. （In Chinese）

[6] BIETRY J， DELAUNAY D， CONTI E. Comparison of fullscale measurement and computation of wind effects on a cablestayed bridge[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 1995，57（2/3）：225-235.

[7] LAROSE G L， ZASSO A， MELELLI S， et al. Field measurements of the windinduced response of a 254mhigh freestanding bridge pylon[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics，1998， 74（2）：891-902.

[8] FRANDSEN J B. Simultaneous pressures and accelerations measured fullscale on Great Belt East suspension bridge[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2001，89（1）：95-129.

[9] MACDONALD J H G. Evaluation of buffeting predictions of a cablestayed bridge from fullscale measurements[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2003，91（12/15）：1465-1483.

[10]廖海黎，李明水.大跨度橋梁施工階段抗風(fēng)性能現(xiàn)場實測研究[C]//第十四屆全國結(jié)構(gòu)風(fēng)工程學(xué)術(shù)會議論文集.北京， 2009：575-579.

LIAO Haili， LI Mingshui. Field measurement research of wind resistance of largespan bridges during construction stages [C]//The Proceeding of 14th National Conference on Structural Wind Engineering. Beijing， 2009：575-579.（In Chinese）

[11]SIRINGORINGO D M， FUJINO Y. Observed alongwind vibration on structural engineering and construction[J]. Procedia Engineering，2011，14：2358-2365.

[12]SIRINGORINGO D M， FUJINO Y. Observed alongwind vibration of a suspension bridge tower[J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics， 2012，103（1）：107-121.

[13]賈亞光.復(fù)雜山區(qū)高墩多塔斜拉橋橋位風(fēng)特性及振動響應(yīng)實測[D].長沙：湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，2015：41-58.

JIA Yaguang. Field measurements of wind characteristics in complex terrain and windinduced response of multipylon cablestayed bridge[D]. Changsha： College of Civil Engineering， Hunan University， 2015：41-58.（In Chinese）