李 浩

(中國(guó)鐵路廣州局集團(tuán)有限公司，廣東 廣州 510088)

近年來(lái)，我國(guó)鐵路建設(shè)快速發(fā)展，推動(dòng)了鐵路橋梁技術(shù)的進(jìn)步，特別是首座混合梁鐵路斜拉橋——甬江特大橋[1-2]在鐵路上成功應(yīng)用后，鋼-混凝土組合梁斜拉橋在大跨度鐵路橋梁上得到迅速推廣[3-4]。由于混合梁鐵路斜拉橋的跨度大、橋面窄，結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)性能有時(shí)成為設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，特別是鈍體截面加勁梁，氣流經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)時(shí)會(huì)產(chǎn)生分離形成周期性旋轉(zhuǎn)脫落，渦振問(wèn)題更為突出。

自1940年美國(guó)Tacoma大橋發(fā)生風(fēng)振毀壞后，大跨度橋梁抗風(fēng)性能的研究受到各國(guó)學(xué)者的重視，我國(guó)學(xué)者也作出了卓越貢獻(xiàn)。項(xiàng)海帆等[5]對(duì)現(xiàn)代橋梁的抗風(fēng)問(wèn)題進(jìn)行了系統(tǒng)詳細(xì)的論述；葛耀君等[6]率先將結(jié)構(gòu)強(qiáng)健性的理念引入橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)與顫振評(píng)價(jià)中；李永樂(lè)等[7]采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)數(shù)值模擬分析了某超大跨度懸索橋扁平單箱主梁氣動(dòng)特性；陳政清等[8]基于理論分析和風(fēng)洞試驗(yàn)研究了舟山西堠門(mén)大橋長(zhǎng)細(xì)吊索的風(fēng)振問(wèn)題并提出雙吊桿的分離器減振方案；陳海興等[9]對(duì)某跨海大橋采用比例節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究了渦激振動(dòng)性能及抑制風(fēng)振的措施；汪家繼等[10]對(duì)大跨度橋梁箱梁的三分力系數(shù)進(jìn)行CFD計(jì)算，結(jié)果與加拿大國(guó)家研究中心(NRCC)的節(jié)段模型試驗(yàn)以及昂船洲大橋的節(jié)段模型試驗(yàn)吻合良好。在現(xiàn)有文獻(xiàn)中，未見(jiàn)針對(duì)鈍體截面的鐵路混合梁斜拉橋渦振性能的研究。

南沙港鐵路龍穴南特大橋主橋因施工圖變更設(shè)計(jì)[11]導(dǎo)致工期緊迫，故采用了基于快速施工栓焊結(jié)合的矩形截面混合梁斜拉橋，并且橋址位于近海強(qiáng)風(fēng)區(qū)，遭受臺(tái)風(fēng)頻次高，對(duì)風(fēng)致動(dòng)力效應(yīng)十分敏感，加上加勁梁為鈍體截面，渦振控制成為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的技術(shù)難題。本文通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)開(kāi)展南沙港鐵路龍穴南特大橋主橋的渦振性能研究，為工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。

1 工程概況

南沙港鐵路位于珠江三角洲中部地區(qū)，作為首條進(jìn)入廣州南沙自貿(mào)區(qū)境內(nèi)的貨運(yùn)鐵路，是粵港澳大灣區(qū)交通發(fā)展的重要項(xiàng)目之一。南沙港鐵路全長(zhǎng)87.788 km，有砟軌道，雙線(xiàn)客貨共線(xiàn)鐵路，ZKH活載，線(xiàn)間距為4.0 m，設(shè)計(jì)速度120 km/h。

龍穴南特大橋主橋是南沙港鐵路跨越龍穴南水道的控制性工程，位于枕箱水道與龍穴南水道分流口下游約1.0 km，河面寬約850 m，航道繁忙。龍穴南特大橋主橋的縱立面以跨中為對(duì)稱(chēng)點(diǎn)設(shè)置3‰的“人”字坡，平面位于直線(xiàn)上。該橋原設(shè)計(jì)為(130+260+130)m的鋼桁梁柔性拱橋，根據(jù)龍穴南水道的航道規(guī)劃及泄洪要求，橋下凈高不小于24 m，凈寬不小于412 m，變更設(shè)計(jì)為(60+60+70+448+70+60+60)m混合梁斜拉橋[11]。

小里程和大里程邊跨各138 m采用預(yù)應(yīng)力混凝土梁，鋼-混結(jié)合段長(zhǎng)7 m，兩處鋼-混結(jié)合段之間540 m采用鋼箱梁。斜拉索采用平行雙索面扇形布置，共72對(duì)斜拉索，索面間距14.5 m，塔上索間距為2～8 m，梁上標(biāo)準(zhǔn)索間距12 m，邊跨加密至8 m。采用H形鋼筋混凝土橋塔，塔高155 m，主橋立面見(jiàn)圖1。

針對(duì)工期緊迫的實(shí)際情況，變更設(shè)計(jì)中鋼箱梁采用快速施工的栓焊結(jié)合懸臂拼裝。為了適應(yīng)栓焊結(jié)合拼裝工藝，并且優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，鋼箱梁采用外置風(fēng)嘴矩形截面，由頂板、底板、4道縱腹板、風(fēng)嘴組成，梁中心高4.5 m，橋面寬16.88 m，梁總寬20 m(含風(fēng)嘴)。預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁采用外置風(fēng)嘴的單箱單室截面，外輪廓與鋼箱梁相同，風(fēng)嘴采用PPS塑料板，通過(guò)預(yù)埋件與混凝土梁相連，主梁橫截面見(jiàn)圖2。

圖1 立面布置 (單位：cm)

圖2 主梁橫截面 (單位：cm)

橋址區(qū)屬于季風(fēng)氣候區(qū)，臺(tái)風(fēng)集中在7—9月，設(shè)計(jì)基本風(fēng)速35.4 m/s，地表類(lèi)別為B類(lèi)場(chǎng)地冪指數(shù)為0.16、邊界層厚度350 m。橋面距離水面36.5 m，橋面處設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速Vd為43.5 m/s。

2 渦振風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮O(shè)計(jì)

為了檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)渦激共振性能，對(duì)主梁節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究，幾何縮尺比為1∶40。試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-1邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，測(cè)振試驗(yàn)采用彈簧懸掛二元?jiǎng)傮w節(jié)段模型，節(jié)段模型通過(guò)8根彈簧懸掛在洞內(nèi)支架上。根據(jù)模型設(shè)計(jì)的相似性，模型試驗(yàn)主要參數(shù)見(jiàn)表1，風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ鸵?jiàn)圖3。

表1 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ蛥?shù)

圖3 風(fēng)洞試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

3 渦振風(fēng)洞試驗(yàn)

根據(jù)JTG/T 3360-01—2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[12]規(guī)定，成橋狀態(tài)和施工階段主梁豎彎和扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅限值分別為：

成橋狀態(tài)豎彎渦激共振振幅限值：0.098 m。

成橋狀態(tài)扭轉(zhuǎn)渦激共振振幅限值：0.228°。

渦振采用風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行研究，分為原設(shè)計(jì)的渦振風(fēng)洞試驗(yàn)和增加氣動(dòng)措施后的渦振風(fēng)洞試驗(yàn)。

3.1 鋼箱梁截面的渦振風(fēng)洞試驗(yàn)

采用節(jié)段模型測(cè)試了成橋狀態(tài)主梁渦振性能，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在成橋狀態(tài)±5°、±3°和0°均會(huì)發(fā)生大幅豎彎渦振和扭轉(zhuǎn)渦振。原始斷面渦振試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)圖4，由圖4可知，豎彎渦振發(fā)生在低風(fēng)速區(qū)16 m/s附近，發(fā)生概率高，最大振幅0.143 m，最大振幅已超出豎彎渦振振幅的規(guī)定，對(duì)橋梁的正常使用影響較大；扭轉(zhuǎn)渦振雖然發(fā)生在高風(fēng)速區(qū)47.5 m/s附近，最大振幅0.291°，對(duì)橋梁的正常使用影響較弱，但較大扭轉(zhuǎn)渦振振幅仍會(huì)對(duì)橋梁疲勞壽命造成不利影響。因此，鋼箱梁成橋狀態(tài)渦激共振性能不滿(mǎn)足要求，需要采取氣動(dòng)措施加以控制。

圖4 原設(shè)計(jì)成橋狀態(tài)渦振位移幅值-風(fēng)速曲線(xiàn)

3.2 截面的氣動(dòng)措施

為了將渦振控制在允許范圍內(nèi)，研究了改變風(fēng)嘴角度方案、下1/4穩(wěn)定板+抑流板欄桿方案。

(1)氣動(dòng)措施一：改變風(fēng)嘴角度方案

原設(shè)計(jì)風(fēng)嘴角度105°，風(fēng)嘴角度調(diào)為58°，見(jiàn)圖5。采用58°風(fēng)嘴方案在±5°、±3°和0°風(fēng)攻角均未觀察到明顯的豎彎和扭轉(zhuǎn)渦振現(xiàn)象，最大豎彎振幅0.014 7 m，最大扭轉(zhuǎn)振幅0.022 8°，均未超過(guò)規(guī)范限值，振幅-風(fēng)速曲線(xiàn)，見(jiàn)圖6。

圖5 氣動(dòng)措施一設(shè)計(jì)及模型

圖6 氣動(dòng)措施一渦振位移幅值-風(fēng)速曲線(xiàn)

(2)氣動(dòng)措施二：下1/4穩(wěn)定板+15°抑流板方案

在主梁模型下表面1/4位置處各設(shè)置高為15 mm(換算到實(shí)橋600 mm)的下穩(wěn)定板，能有效抑制負(fù)攻角下的渦振，但在正攻角下的渦振抑制效果并不明顯，輔以抑流板欄桿來(lái)抑制正攻角下的渦振，見(jiàn)圖7。該方案在-5°、-3°和0°風(fēng)攻角均觀察到較為明顯的豎彎渦振現(xiàn)象，最大豎彎渦振振幅0.091 m，最大扭轉(zhuǎn)渦振振幅0.144°，均未超過(guò)規(guī)范限值，見(jiàn)圖8。

圖7 氣動(dòng)措施二設(shè)計(jì)

圖8 氣動(dòng)措施二位移幅值-風(fēng)速曲線(xiàn)

(3)最終氣動(dòng)措施

風(fēng)嘴角度調(diào)整為58°，實(shí)橋的風(fēng)嘴需要寬3.8 m，結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)困難，最終采用下1/4穩(wěn)定板+15°抑流板的方案，實(shí)橋上抑流板寬度減為500 mm，仰角15°，且將下1/4穩(wěn)定板與檢修軌道合并，總高度600 mm，見(jiàn)圖9。

圖9 最終方案設(shè)計(jì)圖及模型

4 結(jié)論

本文以新建南沙港鐵路龍穴南特大橋主橋?yàn)楣こ瘫尘埃芯苛蒜g體矩形截面大跨度混合梁斜拉橋的渦振，提出了氣動(dòng)措施，得到如下結(jié)論：

(1)鈍體矩形截面大跨度混合梁斜拉橋可能發(fā)生大幅度豎彎渦振和扭轉(zhuǎn)渦振，龍穴南特大橋的豎彎渦振發(fā)生在低風(fēng)速區(qū)16 m/s附近，發(fā)生頻次高，振幅大，對(duì)橋梁的正常使用影響較大；扭轉(zhuǎn)渦振發(fā)生在高風(fēng)速區(qū)48 m/s附近，發(fā)生頻次低，但較大扭轉(zhuǎn)渦振振幅對(duì)橋梁疲勞壽命造成不利影響。因此，原設(shè)計(jì)需要采取氣動(dòng)措施控制渦振。

(2)風(fēng)嘴角度調(diào)為58°的氣動(dòng)措施能有效地控制渦振，但是結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)困難；下1/4穩(wěn)定板+15°抑流板的方案，風(fēng)洞試驗(yàn)里豎彎渦振振幅和扭轉(zhuǎn)渦振振幅均滿(mǎn)足允許要求，并且結(jié)構(gòu)上容易實(shí)現(xiàn)。因此，施工圖采取下1/4穩(wěn)定板+15°抑流板的方案。