(1.湖南省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司， 湖南 長沙，410219； 2.株洲市城市建設(shè)發(fā)展集團(tuán)有限公司， 湖南 株洲 412007)

0 引言

與地錨式懸索橋相比，自錨式懸索橋無需大體量的錨碇，具有造型美觀、線型優(yōu)美等優(yōu)點(diǎn)，在城市橋梁建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用?；谧藻^式懸索橋受力特點(diǎn)，混凝土加勁梁的跨度非常有限，大跨度自錨式懸索橋常采用鋼箱加勁梁。

為解決正交異性鋼橋面因剛度較小帶來的疲勞開裂和鋪裝易損等難題，株洲楓溪大橋創(chuàng)造性地將STC超高性能輕型組合橋面應(yīng)用于自錨式懸索橋，極大地降低了鋼橋面的開裂風(fēng)險(xiǎn)，延長了橋面鋪裝使用壽命。

超高性能輕型組合橋面加勁梁在大跨度自錨式懸索橋體系中具有很好的應(yīng)用前景。同時(shí)，自錨式懸索橋隨著跨度增大，結(jié)構(gòu)動力效應(yīng)顯著，對大跨度自錨式懸索橋STC組合橋面加勁梁進(jìn)行抗風(fēng)性能研究具有重要意義[1-8]。

本文以株洲楓溪大橋?yàn)楣こ瘫尘埃捎糜邢拊?jì)算和節(jié)段模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究大跨度自錨式懸索橋?qū)挿鵖TC組合橋面鋼箱加勁梁抗風(fēng)性能，為類似橋梁的設(shè)計(jì)研究提供參考。

1 工程背景

株洲楓溪大橋是株洲市的重要跨湘江通道，主橋跨徑布置為(3×45+300+3×45)m雙塔單跨自錨式懸索橋，矢跨比為1/5，如圖1所示。加勁梁采用鋼—STC組合橋面閉口鋼箱梁，橋面寬度32 m，中心梁高3.5 m，橫向吊點(diǎn)中心距為25.5 m，見圖2。

圖1 株洲楓溪大橋總體布置(單位： cm)Figure 1 General layout of zhuzhou fengxi suspension bridge(Unit： cm)

圖2 STC組合橋面加勁梁橫斷面(單位： mm)Figure 2 Cross section of stiffening girder with STC composite deck(Unit： mm)

2 自錨式懸索橋動力特性分析

2.1 結(jié)構(gòu)動力分析模型

為了進(jìn)行風(fēng)荷載作用下的結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)分析、節(jié)段模型測振風(fēng)洞試驗(yàn)研究，橋梁結(jié)構(gòu)動力特性分析是研究橋梁振動問題的基礎(chǔ)。

株洲楓溪大橋成橋狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)動力特性分析采用離散結(jié)構(gòu)的有限元方法，基于大型通用有限元軟件ANSYS平臺，其總體坐標(biāo)系以順橋向?yàn)閄軸，以橫橋向?yàn)閆軸，以豎向?yàn)閅軸，建立全橋動力分析模型，如圖3所示。

圖3 全橋動力分析模型Figure 3 Dynamic model of suspension bridge

楓溪大橋的整體結(jié)構(gòu)是由加勁梁、橋塔、主纜和吊桿等主要構(gòu)件組成，其主要構(gòu)件截面特性參數(shù)如表1所示。

表1 懸索橋計(jì)算模型主要構(gòu)件截面特性Tab.1 Major members’ sections properties of suspension bridge model構(gòu)件面積/m2橫向轉(zhuǎn)動慣量IZZ/m4豎向轉(zhuǎn)動慣量IYY/m4豎向扭矩TKZ/m橫向扭矩TKY/m扭轉(zhuǎn)慣量Jd/m4加勁梁斷面 1.5353.36493.64332 3.59.0341-115.82576.97340.078 4.5 6.588.019橋塔2-214.742610.8332.726 4.276.0571.4763-313.42544.76825.155 4 5.554.387

2.2 結(jié)構(gòu)動力特性計(jì)算結(jié)果

基于自錨式懸索橋ANSYS動力仿真模型，進(jìn)行結(jié)構(gòu)動力特性分析，結(jié)構(gòu)振型主要表現(xiàn)為側(cè)彎、豎彎和扭轉(zhuǎn)，動力特性分析結(jié)果如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)果Tab.2 Dynamic analysis results of structure振型描述頻率/Hz等效質(zhì)量/(t·m-1)等效質(zhì)量慣矩/(t·m2·m-1)一階正對稱側(cè)彎0.577 71.80 E+02一階反對稱側(cè)彎0.956 93.69E+01一階正對稱豎彎0.447 52.81E+01一階反對稱豎彎0.533 32.73E+01一階正對稱扭轉(zhuǎn)1.295 42.24E+03一階反對稱扭轉(zhuǎn)2.098 72.13E+03

3 加勁梁節(jié)段模型測振風(fēng)洞試驗(yàn)研究

3.1 設(shè)計(jì)風(fēng)速參數(shù)

根據(jù)橋位地理位置和地形特征，確定楓溪懸索橋的設(shè)計(jì)風(fēng)速參數(shù)如表3所示：

3.2 加勁梁風(fēng)洞測振試驗(yàn)節(jié)段模型

根據(jù)節(jié)段模型相似性原理，制作1/70縮尺模型，節(jié)段模型為薄壁箱形結(jié)構(gòu)，是由鋁合金框架與纖維木板板覆面組成，橋面欄桿、檢修軌道和風(fēng)嘴等均選用ABS材料雕刻而成。加勁梁節(jié)段模型采用洞外支架懸掛，整個(gè)節(jié)段模型測振懸掛系統(tǒng)如圖4所示。

表3 楓溪懸索橋設(shè)計(jì)風(fēng)速參數(shù)表Tab.3 Design wind speed parameters of fengxi suspension bridge(m·s-1)基本風(fēng)速風(fēng)剖面系數(shù)成橋設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速成橋顫振檢驗(yàn)風(fēng)速靜力扭轉(zhuǎn)發(fā)散檢驗(yàn)風(fēng)速25.6B類,α=0.1630.345.460.6

圖4 加勁梁風(fēng)洞測振試驗(yàn)節(jié)段模型Figure 4 Segmental model of stiffening girder for wind tunnel tests

在均勻流場中針對施工圖設(shè)計(jì)階段加勁梁原始斷面進(jìn)行了節(jié)段模型顫振風(fēng)洞試驗(yàn)，包括-3°、0°和+3°的3種風(fēng)攻角，共3個(gè)試驗(yàn)工況，測試內(nèi)容包括顫振臨界風(fēng)速、阻尼-風(fēng)速曲線及氣動導(dǎo)數(shù)識別。

3.3 顫振試驗(yàn)結(jié)果

通過直接試驗(yàn)法測定的結(jié)構(gòu)顫振臨界風(fēng)速、氣動阻尼隨風(fēng)速增加的變化規(guī)律及氣動導(dǎo)數(shù)隨折減風(fēng)速的變化。

3.3.1阻尼-風(fēng)速曲線

通過對加勁梁斷面形式進(jìn)行顫振風(fēng)洞試驗(yàn)，其實(shí)測的成橋狀扭轉(zhuǎn)阻尼比隨風(fēng)速增加的變化規(guī)律如圖5所示。

圖5 加勁梁系統(tǒng)扭轉(zhuǎn)阻尼比-風(fēng)速曲線Figure 5 Torsional damping ratio of stiffening girder changing with wind speed

3.3.2氣動導(dǎo)數(shù)識別

針對鋼 — STC超高性能輕型組合橋面加勁梁成橋狀態(tài)斷面采用了彎扭耦合振動形式，運(yùn)用自由振動氣動導(dǎo)數(shù)識別方法進(jìn)行氣動導(dǎo)數(shù)測定試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 折減風(fēng)速 — 氣動導(dǎo)數(shù)曲線

3.3.3顫振臨界風(fēng)速

不同工況下的橋梁結(jié)構(gòu)顫振臨界風(fēng)速風(fēng)洞試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果顯示：加勁梁豎彎阻尼比為0.34%，扭轉(zhuǎn)阻尼比為0.329%，-3°、0°和+3°的3種風(fēng)攻角工況下，+3°風(fēng)攻角工況顫振風(fēng)速最小，臨界風(fēng)速為172.5 m/s，遠(yuǎn)高于檢驗(yàn)風(fēng)速45.4 m/s。

3.4 渦振試驗(yàn)結(jié)果(見表4)

根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定，株洲楓溪大橋豎彎、扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅允許值分別為：扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅允許值為:[θa]=4.56/Bft=0.011°；豎彎渦激共振振幅允許值為: [ha]=0.04/fb=0.089 4 m。

風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示：成橋狀態(tài)下的原始斷面在+3°攻角下出現(xiàn)11.1～16.7 m/s與22.7～33.4 m/s 兩個(gè)豎彎渦振區(qū)，以及風(fēng)速大于47.4 m/s的扭轉(zhuǎn)渦振區(qū)(已經(jīng)超過顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，不做考慮)，其中在第二個(gè)豎彎渦振區(qū)，其峰值振幅0.188 m超過規(guī)范所允許的振幅值。

表4 渦振振幅峰值及其風(fēng)速表Tab.4 Peak amplitudes and wind speeds of vortex induced vibration渦振試驗(yàn)工況斷面形式風(fēng)攻角渦振形式共振風(fēng)速/(m·s-1)峰值振幅WZ-1(原型斷面)WZ-2(無檢修軌道)WZ-3(檢修軌道移至斜腹板)WZ-4(檢修軌道移至斜腹板并增設(shè)過江管道)3°無//0°//+3°豎彎11.1～16.70.050 m豎彎22.7～33.40.188 m+3°無//3°無//0°無//+3°豎彎10～12.30.026 m扭轉(zhuǎn)21.3～28.40.048°3°豎彎8.5～10.70.037 m+3°豎彎8.9～11.80.053 m扭轉(zhuǎn)25.2～28.30.031°

為了使該橋施工圖設(shè)計(jì)方案渦激共振性能滿足規(guī)范要求，需要對原始斷面進(jìn)行改進(jìn)。首先去除檢修軌道，對無檢修軌道斷面進(jìn)行渦振試驗(yàn)，以確定渦振的產(chǎn)生是否是由于檢修軌道的布置引起的。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，無檢修軌道斷面在+3°攻角下未發(fā)生渦振，這就說明布置在下甲板上的檢修軌道是引起該橋豎彎渦激共振的主要原因。

將檢修軌道移至斜腹板中央(改進(jìn)斷面)，并進(jìn)行+3°、0°以及-3°攻角下的渦振試驗(yàn)。風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果顯示改進(jìn)斷面僅在+3°攻角下發(fā)生豎彎渦振(10～12.3 m/s)和扭轉(zhuǎn)渦振(21.3～28.4 m/s)，但是峰值振幅較小，均未超出規(guī)范允許值(0.110°及0.089 4 m)。

對于增設(shè)過江管道的斷面(檢修軌道移至斜腹板下緣)，風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果表明，在-3°攻角下發(fā)生豎彎渦振(8.5～10.7 m/s )，但是峰值振幅(0.037 m)較小，未超出規(guī)范允許值(0.089 m)；在+3°攻角下發(fā)生豎彎渦振(8.9～11.8 m/s)和扭轉(zhuǎn)渦振(25.2～28.3 m/s)，但是峰值振幅較小，均未超出規(guī)范允許值(0.110°及0.089 4 m)。

4 節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗(yàn)研究

4.1 加勁梁風(fēng)洞測力試驗(yàn)節(jié)段模型

根據(jù)節(jié)段模型相似性原理，制作1/70縮尺模型，測力試驗(yàn)除氣動外形相似外要求節(jié)段模型剛性盡可能大，但對質(zhì)量和質(zhì)量慣矩沒有相似性要求。加勁梁測力節(jié)段模型豎直安裝在測力天平上，以用于測力風(fēng)洞試驗(yàn)。如圖7所示。

圖7 加勁梁風(fēng)洞測力試驗(yàn)節(jié)段模型Figure 7 Segmental model of stiffening girder for wind tunnel tests

4.2 測力試驗(yàn)結(jié)果

定義靜力三分力的方向如圖8所示，加勁梁斷面風(fēng)軸坐標(biāo)系下三分力系數(shù)定義如下：

(2)

(3)

(4)

加勁梁斷面體軸坐標(biāo)系下三分力系數(shù)定義如下：

(2)

(3)

(4)

式中：U∞為試驗(yàn)風(fēng)速；空氣密度ρ=1.225 kg/m3；L為測力節(jié)段模型長度；其中阻力系數(shù)以加勁梁高度H為參考長度；升力系數(shù)、氣動俯仰扭矩系數(shù)均以加勁梁斷面寬度B為參考長度。

圖8 加勁梁靜力三分力方向示意Figure 8 Coordinate sketch-map of static forces of stiffening girder

成橋狀態(tài)加勁梁斷面在風(fēng)軸和體軸狀態(tài)下的靜力三分力系數(shù)隨攻角的變化趨勢如圖9所示。

圖9 靜力三分力系數(shù)隨攻角的變化Figure 9 Aerodynamic coefficients change with angle of attack

5 結(jié)論

以株洲楓溪大橋?yàn)楣こ瘫尘?，采用有限元分析、?jié)段模型試驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究大跨度自錨式懸索橋鋼—STC組合橋面寬幅箱形加勁梁抗風(fēng)性能。并得到以下結(jié)論：

楓溪大橋設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為Vd=30.3 m/s、成橋狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為[Vcr]=45.4 m/s、二維靜風(fēng)穩(wěn)定性檢驗(yàn)風(fēng)速為Vtd=60.6 m/s。

結(jié)構(gòu)一階豎彎、側(cè)彎和扭轉(zhuǎn)頻率分別為0.447 5、0.577 7和1.295 4 Hz。

鋼—STC組合橋面寬幅箱形加勁梁結(jié)構(gòu)在-3°、0°及+3°的3種風(fēng)攻角下顫振臨界風(fēng)速均遠(yuǎn)高于橋位處檢驗(yàn)風(fēng)速，表明設(shè)計(jì)方案滿足顫振穩(wěn)定性要求，且有較大富余度。

成橋狀態(tài)下的原型斷面在+3°攻角下出現(xiàn)了11.1～16.7 m/s與22.7～33.4 m/s兩個(gè)豎彎渦振區(qū)，其中在第二個(gè)豎彎渦振區(qū)，其峰值振幅0.188m超過規(guī)范所允許的振幅值。通過對截面進(jìn)行局部優(yōu)化，豎彎渦振和扭轉(zhuǎn)渦振的峰值振幅均大幅降低，均在規(guī)范允許值以內(nèi)。

節(jié)段模型測力風(fēng)洞試驗(yàn)基于風(fēng)攻角為-12° 至12° 范圍內(nèi)變化，研究了加勁梁斷面的靜力三分力系數(shù)的變化規(guī)律。

本文基于楓溪大橋加勁梁風(fēng)洞試驗(yàn)及靜動力特性分析，研究了大跨度自錨式懸索橋的鋼—STC組合橋面箱形加勁梁的抗風(fēng)性能，為類似橋梁的設(shè)計(jì)研究提供依據(jù)和參考。