山區(qū)大跨鋼桁梁懸索橋顫振性能及控制措施研究

楊新敏

(廈門市交通基本建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督檢測站，福建廈門361021)

迄今國內(nèi)外關(guān)于橋梁抗風(fēng)設(shè)計的研究，往往是圍繞寬闊的場地，諸如平原、沿海地區(qū)的大跨徑鋼箱梁橋梁進(jìn)行，關(guān)于山區(qū)峽谷的大跨徑橋梁的抗風(fēng)問題研究還不成熟。與沿海和平原地區(qū)風(fēng)速相比，山區(qū)峽谷陣風(fēng)強(qiáng)烈、頻繁，湍流強(qiáng)度大，非平穩(wěn)特性突出，風(fēng)速場空間分布復(fù)雜且表現(xiàn)為顯著的三維特征。山區(qū)橋梁風(fēng)致振動響應(yīng)預(yù)測及抗風(fēng)措施研究明顯區(qū)別于其它地區(qū)的橋梁，特別是大跨度超大跨度懸索橋，往往處于兩峰之間，長度超過千米，橋下為峽谷地帶，狀況更顯復(fù)雜。不僅橋梁中部風(fēng)場與兩側(cè)坡面處的風(fēng)場存在差異，而且橋位處風(fēng)場也與大橋周邊風(fēng)場存在明顯差異。由于山地地形起伏影響，氣流可能呈波浪狀，自然風(fēng)的非平穩(wěn)特性將對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常不利的影響。由于觀測資料匱乏和規(guī)范的局限性，如果按照常規(guī)的方法得出的設(shè)計風(fēng)速，進(jìn)而按照這些風(fēng)速參數(shù)進(jìn)行抗風(fēng)檢驗，有可能得出不安全的結(jié)果。本文以一山區(qū)特大跨度鋼桁梁懸索橋——壩陵河大橋為例，研究該橋橋位處風(fēng)環(huán)境的特殊性及針對山區(qū)橋梁提出特定的控制顫振措施。

1 大橋概況

壩陵河大橋是滬瑞國道主干線鎮(zhèn)寧至勝鏡關(guān)高速公路上的一座特大型橋梁，該橋地處黔西地區(qū)的高原重丘區(qū)，在關(guān)嶺縣東北跨越壩陵河峽谷，峽谷兩岸地勢陡峭，地形變化急劇，起伏很大，河谷深達(dá)400～600 m。主橋主跨1 088 m，是我國首座單跨超過千米的特大型鋼桁梁懸索橋(圖1)。由于壩陵河大橋跨度大、結(jié)構(gòu)自振頻率低，對風(fēng)的作用特別敏感，顫振穩(wěn)定性成為該橋設(shè)計的關(guān)鍵問題，也是我國西部山區(qū)復(fù)雜風(fēng)環(huán)境下橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定性的典型問題。

圖1 壩陵河大橋

2 橋位風(fēng)參數(shù)

壩陵河大橋橋址風(fēng)場特性的數(shù)值風(fēng)洞計算采用FLUENT6.0程序工作站上運(yùn)行，軟件基于有限體積法。計算區(qū)域為南北向邊長9 000 m，東西向邊長11 000 m，高度從黃海高程0 m到9 000 m的長方體(減去山體、河流所占空間)，橋位約處于區(qū)域的中心。計算區(qū)域的下邊界根據(jù)1∶10 000的地形等高線圖生成。為了反映橋位處風(fēng)速的變化規(guī)律，沿橋軸線位置重點考察了如圖1所示的31個點，間距為50 m，高程均為1 038.8 m。各計算點處攻角α值和正交風(fēng)速分量u的量值是橋位風(fēng)場的重要特征，評價各方向(風(fēng)向角的定義如圖2)來流對橋梁抗風(fēng)性能的影響，應(yīng)綜合考慮正交風(fēng)分量u及其風(fēng)速系數(shù)Cu和攻角的α數(shù)值，圖2和圖3給出了這兩個重要參數(shù)沿橋軸線的變化特征。工況①、②、③計算得到的橋位處正交風(fēng)速分量風(fēng)速系數(shù)Cu較大，其最大值分別為 1.096、0.990、0.978、1.058，其余工況計算得到的 Cu均較小?？梢姌蛭惶幾畈焕L(fēng)向為工況①。

圖2 計算模型和計算工況(風(fēng)向角)定義

另一方面，上述工況下橋軸處攻角α基本在－1°～+6°范圍內(nèi)(盡管靠近岸處、或邊跨處計算點的攻角較大，但所處位置對主橋抗風(fēng)性能影響甚小)。其它方向來流情況下，因風(fēng)速分量u衰減較多，難以對橋梁構(gòu)成危害。經(jīng)過綜合分析，該橋成橋狀態(tài)的設(shè)計風(fēng)速為Ud=25.9 m/s，顫振檢驗風(fēng)速為41.3 m/s。風(fēng)攻角－1°～+6°范圍內(nèi)進(jìn)行。

圖3 不同方向風(fēng)速情況下攻角和風(fēng)速系數(shù)沿橋軸線的變化曲線

3 結(jié)構(gòu)動力特性特征

該橋的有限元模型主梁采用桁架形式，計算中采用梁單元模擬每一根桿件。主纜及吊索采用空間桿單元，索塔各構(gòu)件均采用空間梁單元，該橋主要振型的結(jié)構(gòu)動力特性分析結(jié)構(gòu)見表1。

表1 壩陵河大橋結(jié)構(gòu)動力特性

4 氣動優(yōu)化試驗研究

由于施工場地的原因，山區(qū)橋梁很少選擇流線型箱梁斷面，而大量使用便于施工的桁架梁，壩陵河大橋亦采取了這種斷面形式，如圖4。由于桁架梁的抗扭剛度較小，扭轉(zhuǎn)頻率低，容易發(fā)生自由度扭轉(zhuǎn)顫振。為了避免類似1940年美國大跨度鋼桁梁懸索橋因風(fēng)致顫振引起的橋梁破壞的事件發(fā)生，對壩陵河大橋的氣動外形進(jìn)行了一系列的風(fēng)洞試驗研究(如圖5)。表2給出了原始設(shè)計斷面的顫振臨界風(fēng)速試驗結(jié)果。如果按照規(guī)范建議，在攻角±3°范圍內(nèi)，該橋能滿足設(shè)計要求。但是，根據(jù)橋址處的數(shù)值分析，該橋的來流風(fēng)速攻角可能達(dá)到±6°，超過規(guī)范建議的攻角范圍，將帶來不安全的結(jié)果。試驗表明，該橋6°時的顫振臨界風(fēng)速只有32.4 m/s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于顫振檢驗風(fēng)速。

圖4 壩陵河大橋原始設(shè)計斷面

表2 壩陵河橋原始斷面的顫振臨界風(fēng)速

為了使該橋在山區(qū)特定條件下的顫振特性滿足設(shè)計要求，利用風(fēng)洞試驗對該橋的斷面形式進(jìn)行了優(yōu)化。優(yōu)化方案如表3所示。試驗結(jié)果表明，原始的斷面形式在添加了加細(xì)部構(gòu)件(導(dǎo)軌，吊環(huán))，電纜線檢修道(無電纜線)以后，顫振臨界風(fēng)速在+3°不能夠到達(dá)設(shè)計要求，在0°也是剛剛達(dá)到要求，富裕量不大。其他的優(yōu)化試驗結(jié)果匯總在圖6中，可以看出，方案7即橋面板表面開孔，再加上導(dǎo)流翼板的形式是最優(yōu)方案，如圖8。

表3 壩陵河大橋氣動外形優(yōu)化試驗內(nèi)容

圖5 節(jié)段模型風(fēng)洞試驗照片

圖6 各優(yōu)化方案節(jié)段模型風(fēng)洞試驗結(jié)果

圖7 設(shè)有氣動翼板的主梁斷面方案

5 氣動翼板安裝方式的選擇

通過前期的研究，一方面氣動翼板對該橋的顫振臨界風(fēng)速提高效果明顯。另一方面，從風(fēng)場的研究結(jié)果可以看出，峽谷來流基本上都在正攻角范圍內(nèi)，因此，還需要將氣動翼板的方向作適當(dāng)?shù)膬?yōu)化。壩陵河大橋?qū)嶋H采用的氣動翼板有突起的肋條，在試驗中，用優(yōu)質(zhì)木材模擬其外形，凸起的肋利用在氣動翼板上粘貼線或膠布來模擬。由于肋條非常密集，完全按原型縮尺到模型上則難以加工，故試驗中采用了按照肋條寬度相等的原則將10根肋條合并為1根，如圖8所示。為了考察肋條的高度對顫振臨界風(fēng)速的影響，試驗中采用了肋條高度不同的氣動翼板進(jìn)行試驗并加以對比。其中一組肋條高度為0.2 mm(實型為10 mm，設(shè)計方所采用)，稱之為A模型;另一組肋條高度為0.6 mm(實型為30 mm)，稱之為B模型。

圖8 風(fēng)洞試驗中的氣動翼板

試驗考察了翼板安裝與主梁夾角的不同(角度正負(fù)規(guī)定見圖9)對顫振臨界風(fēng)速的影響，表4和表5給出了A模型和B模型動力節(jié)段模型顫振試驗的結(jié)果。

圖9 翼板角度正負(fù)規(guī)定

表4 A模型顫振試驗結(jié)果

表5 B模型顫振試驗結(jié)果

由表4、表5可知:當(dāng)肋條的高度增加以后，顫振臨界風(fēng)速有較大的降低，低于該橋的顫振檢驗風(fēng)速(41.3 m/s);安裝氣動翼板的角度對顫振臨界風(fēng)速有一定得影響，角度為正角度時會降低顫振臨界風(fēng)速，在較小的負(fù)角度情況下，會對顫振臨界風(fēng)速稍有提高，但是超過一定角度，反而會降低顫振臨界風(fēng)速;A 模型氣動翼板角度為0°、－3°、－6°，顫振臨界風(fēng)速都超過了壩陵河的顫振檢驗風(fēng)速(41.3 m/s)。其中－3°的時候顫振臨界風(fēng)速最高，達(dá)到了42.8 m/s。

6 結(jié)論

通過研究，得到以下主要研究成果。

(1)山區(qū)峽谷區(qū)地形風(fēng)場特性:通過地形數(shù)值風(fēng)洞研究和地形模擬風(fēng)洞試驗結(jié)果表明，山區(qū)斜谷地區(qū)的風(fēng)速具有明顯的不均勻性，平均風(fēng)速具有明顯的風(fēng)速放大效應(yīng)，且攻角變化范圍大。壩陵河大橋的顫振檢驗風(fēng)速檢驗范圍擴(kuò)大到±6°，且來流基本分布在正攻角范圍內(nèi)。

(2)通過優(yōu)化試驗，氣動翼板可以提高大跨鋼桁梁懸索橋的顫振穩(wěn)定性。

(3)翼板表面肋條的高度對顫振臨界風(fēng)速影響較大。當(dāng)選用第一種(對應(yīng)A模型)氣動翼板形式，其表面肋條相對于第二種(對應(yīng)B模型)氣動翼板來說，高度減少約50%，顫振臨界風(fēng)速明顯提高，幅度在40%以上。

(4)安裝氣動翼板的角度對顫振臨界風(fēng)速有一定得影響。角度為正角度時會降低顫振臨界風(fēng)速，在較小的負(fù)角度情況下，會對顫振臨界風(fēng)速稍有提高，但是超過一定角度，反而會降低顫振臨界風(fēng)速。

［1］西南交通大學(xué)風(fēng)工程中心.壩陵河大橋抗風(fēng)性能研究［R］.2007