胡 濤

（中鐵大橋勘測設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)水平的提高和橋梁建造技術(shù)的進(jìn)步，大跨橋梁不斷涌現(xiàn)，如甌江北口大橋、泰州長江公路大橋等大跨懸索橋[1，2]，蘇通大橋、上海長江大橋和岳陽洞庭湖大橋等大跨斜拉橋[3-5]。隨著跨度不斷加大，橋梁結(jié)構(gòu)越來越柔，對(duì)風(fēng)的作用越來越敏感，如美國舊塔科馬大橋顫振風(fēng)毀事故[6]、日本東京灣大橋大振幅渦激振動(dòng)現(xiàn)象[7]，所以進(jìn)行大跨度橋梁設(shè)計(jì)時(shí)，需重點(diǎn)關(guān)注其抗風(fēng)性能。

由于斜拉橋具有跨度大、造型優(yōu)美、施工方便等優(yōu)點(diǎn)，在橋梁設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。與混凝土梁相比，疊合梁具有自重較輕、吊裝方便的優(yōu)點(diǎn)。另外，疊合梁能較好地利用混凝土材料的抗壓能力，具有良好的受力性能，可提升橋塔附近加勁梁抗壓性能。但是，由于疊合梁斷面為典型的半開口鈍體，抗扭剛度較低，對(duì)流場作用敏感，易出現(xiàn)氣動(dòng)不穩(wěn)定現(xiàn)象，所以在設(shè)計(jì)疊合梁斜拉橋時(shí)，風(fēng)致振動(dòng)的控制應(yīng)成為關(guān)鍵性問題。

胡峰強(qiáng)等[8]對(duì)獨(dú)塔流線箱形主梁斜拉橋的抗風(fēng)性能進(jìn)行了研究，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，該主梁斷面橋型具有良好的抗風(fēng)性能。羅兵[9]研究了獨(dú)塔斜拉橋在不同橋塔方案下橋塔馳振和渦激振動(dòng)性能。段青松等[10]研究了人行道欄桿對(duì)雙塔單跨疊合梁斜拉橋渦激振動(dòng)性能的影響。戰(zhàn)慶亮等[11]研究了風(fēng)嘴、下穩(wěn)定板和挑梁等氣動(dòng)措施對(duì)雙塔和獨(dú)塔疊合梁斜拉橋抗風(fēng)性能的影響。但是，目前少有文獻(xiàn)對(duì)三塔雙跨疊合梁斜拉橋抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。本文以某在建三塔雙跨鋼混疊合梁斜拉橋?yàn)檠芯勘尘埃ㄟ^數(shù)值模擬計(jì)算和節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)研究了其顫振穩(wěn)定性和渦激振動(dòng)性能，研究結(jié)果可為設(shè)計(jì)三塔雙跨疊合梁斜拉橋提供參考。

1 工程概況與橋址區(qū)風(fēng)特性

該三塔雙跨鋼混疊合梁斜拉橋跨徑布置為45 m+120 m+2×400 m+120 m+45 m，兩側(cè)分別設(shè)置一個(gè)輔助墩和過渡墩，整體布置如圖1所示。3號(hào)塔高約160 m，4號(hào)塔和5號(hào)塔高約180 m。主梁寬32 m，高3.0 m，其中邊跨51 m范圍內(nèi)為混凝土梁，其余梁段為工字鋼混凝土疊合梁，主梁橫截面如圖2所示。

圖1 橋梁整體布置圖（單位：m）

圖2 主梁橫截面（單位：cm）

橋梁工程區(qū)位于低層建筑稀少地區(qū)，海拔高度為340.8 m，地表類型取為B類[12]，地表粗糙度取0.16，100 a重現(xiàn)期10 min年平均最大風(fēng)速U10=24.3 m/s。主梁基準(zhǔn)高度均值d=65.85 m，風(fēng)速沿高度變化修正系數(shù)K1B=1.0×（d/10）0.16=1.352，故主梁高程處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Ud=K1B×U10=32.7 m/s。

主梁顫振檢驗(yàn)風(fēng)速[Ucr]=1.2×μf×Ud，其中，μf為考慮風(fēng)的脈動(dòng)特性以及空間相關(guān)特性影響的修正系數(shù)，根據(jù)該橋跨度和地表粗糙度類別取為1.29，故成橋狀態(tài)主梁顫振檢驗(yàn)風(fēng)速[Ucr]=1.2×μf×Ud=50.6 m/s。對(duì)于施工階段，取重現(xiàn)期為10 a，相應(yīng)的風(fēng)速折減系數(shù)為0.84[3]。該橋各階段風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 風(fēng)速標(biāo)準(zhǔn) m/s

2 橋梁動(dòng)力特性計(jì)算

橋梁動(dòng)力特性主要關(guān)注結(jié)構(gòu)的整體行為，為提高計(jì)算效率，本研究對(duì)實(shí)際模型進(jìn)行了適當(dāng)簡化，采用單主梁形式的有限元模型。其中，主梁、橋塔和橋墩均采用梁單元BEAM4模擬，斜拉索用桿單元LINK8模擬，二期荷載質(zhì)量用質(zhì)量點(diǎn)單元MASS21模擬，主梁和斜拉索之間采用剛臂連接。

本文對(duì)該橋成橋狀態(tài)和施工過程中最大雙懸臂施工狀態(tài)兩種工況進(jìn)行了動(dòng)力特性計(jì)算，其中最大雙懸臂施工狀態(tài)為以4號(hào)塔處為起點(diǎn)向兩側(cè)對(duì)稱懸臂拼裝至合攏處。橋梁動(dòng)力特性見表2。

表2 動(dòng)力特性

3 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)

節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)在西南交通大學(xué)XNJD-1工業(yè)風(fēng)洞第二試驗(yàn)段中進(jìn)行，該試驗(yàn)段設(shè)有測試節(jié)段模型風(fēng)致振動(dòng)的試驗(yàn)裝置。橋梁節(jié)段模型縮尺比為1∶45，按幾何縮尺比嚴(yán)格模擬主梁的幾何外形，并在模型兩端設(shè)置端板，以保證加主梁斷面氣動(dòng)繞流的二維特性。制作完成的模型由8根拉伸彈簧懸掛在支架上，形成可豎向運(yùn)動(dòng)和繞模型軸線轉(zhuǎn)動(dòng)的二自由度振動(dòng)系統(tǒng)。圖3為成橋狀態(tài)和最大雙懸臂施工狀態(tài)模型安裝示意圖。

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)節(jié)段模型

3.1 顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)

風(fēng)洞試驗(yàn)測試了在 -5°、-3°、0°、+3°和+5°風(fēng)攻角下的顫振穩(wěn)定性。試驗(yàn)結(jié)果表明，在成橋狀態(tài)對(duì)應(yīng)實(shí)橋風(fēng)速為72.42～87.29 m/s和最大雙懸臂施工狀態(tài)對(duì)應(yīng)實(shí)橋風(fēng)速為66.48～83.00 m/s時(shí)（見表3和表4），主梁均未發(fā)生顫振發(fā)散現(xiàn)象，此時(shí)風(fēng)速已經(jīng)高于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速較多，可知橋梁結(jié)構(gòu)具有良好的顫振穩(wěn)定性。

3.2 渦激振動(dòng)試驗(yàn)

根據(jù)文獻(xiàn)[12]，渦激振動(dòng)豎向振幅允許值為：

表3 成橋狀態(tài)顫振風(fēng)速檢驗(yàn)

表4 最大雙懸臂施工狀態(tài)顫振風(fēng)速檢驗(yàn)

扭轉(zhuǎn)振幅允許值為：

渦激振動(dòng)振幅允許值見表5。

表5 渦激振動(dòng)振幅允許值

渦激振動(dòng)試驗(yàn)進(jìn)行了在-5°、-3°、0°、+3°和+5°風(fēng)攻角下主梁的渦激振動(dòng)響應(yīng)，試驗(yàn)在均勻流場中進(jìn)行，試驗(yàn)風(fēng)速對(duì)應(yīng)實(shí)橋風(fēng)速0～40 m/s，控制風(fēng)速步長對(duì)應(yīng)實(shí)橋風(fēng)速0.12～0.60 m/s。圖4和圖5給出了成橋狀態(tài)和最大雙懸臂施工狀態(tài)下主梁斷面在不同風(fēng)攻角下渦激振動(dòng)豎向振幅與扭轉(zhuǎn)振幅，其中振幅簡化為相對(duì)于規(guī)范允許值的無量綱參數(shù)。

圖4 成橋狀態(tài)主梁渦激振動(dòng)響應(yīng)

圖5 最大雙懸臂施工狀態(tài)主梁渦激振動(dòng)響應(yīng)

渦激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果表明，成橋狀態(tài)出現(xiàn)了較為明顯的渦激振動(dòng)現(xiàn)象，其中，當(dāng)風(fēng)速小于28 m/s時(shí)，豎向振幅和扭轉(zhuǎn)振幅未超過規(guī)范允許值，當(dāng)風(fēng)速為28～34 m/s時(shí)，+5°和+3°風(fēng)攻角下豎向幅值的最大值超過了規(guī)范允許值約50%，-5°和-3°風(fēng)攻角下扭轉(zhuǎn)幅值的最大值超過了規(guī)范允許值約50%，但成橋狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為32.7 m/s，重現(xiàn)期為100 a，大橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期也為100 a，二者一致，其保證概率為99%，即在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，風(fēng)速不超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的概率為99%，超過設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速的概率為1%[12]，故風(fēng)速達(dá)到28～34 m/s的概率也較低，不會(huì)對(duì)橋梁安全和使用性能造成明顯影響。去掉了人行道欄桿、防撞欄和鋪裝等附屬設(shè)施和二期荷載后，最大雙懸臂施工狀態(tài)的渦激振動(dòng)幅值遠(yuǎn)低于規(guī)范允許值，具有良好的渦激振動(dòng)性能?？傮w來說，該三塔雙跨疊合梁斜拉橋具有較好的渦激振動(dòng)性能。

4 結(jié)論

（1）該三塔疊合梁斜拉橋成橋狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為32.7 m/s，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為50.6 m/s，施工狀態(tài)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為27.5 m/s，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為42.5 m/s。

（2）成橋狀態(tài)豎彎基頻為0.213 4 Hz，扭轉(zhuǎn)基頻為0.802 9 Hz。最大雙懸臂施工狀態(tài)豎彎基頻為0.163 5 Hz，扭轉(zhuǎn)基頻為 0.904 5 Hz。

（3）風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，該三塔雙跨疊合梁斜拉橋成橋狀態(tài)和最大雙懸臂施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)不同風(fēng)攻角下的顫振臨界風(fēng)速均遠(yuǎn)大于相應(yīng)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，表明結(jié)構(gòu)具有良好的顫振穩(wěn)定性。

（4）風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，成橋狀態(tài)時(shí)，該三塔疊合梁斜拉橋會(huì)出現(xiàn)渦激振動(dòng)現(xiàn)象，有相應(yīng)的渦激振動(dòng)區(qū)，低風(fēng)速渦激振動(dòng)區(qū)的渦激振動(dòng)幅值未超過規(guī)范允許值，高風(fēng)速渦激振動(dòng)區(qū)最大渦激振動(dòng)幅值超過規(guī)范允許值約50%，但其發(fā)生概率很低，不會(huì)對(duì)橋梁安全和使用性能造成顯著影響，但應(yīng)引起重視。最大雙懸臂施工狀態(tài)時(shí)，渦激振動(dòng)響應(yīng)遠(yuǎn)低于規(guī)范允許值，具有良好的渦激振動(dòng)性能。