三塔雙跨疊合梁斜拉橋抗風性能研究

胡 濤

（中鐵大橋勘測設計院集團有限公司，湖北 武漢 430056）

0 引言

隨著我國經濟水平的提高和橋梁建造技術的進步，大跨橋梁不斷涌現，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，橋梁結構越來越柔，對風的作用越來越敏感，如美國舊塔科馬大橋顫振風毀事故[6]、日本東京灣大橋大振幅渦激振動現象[7]，所以進行大跨度橋梁設計時，需重點關注其抗風性能。

由于斜拉橋具有跨度大、造型優(yōu)美、施工方便等優(yōu)點，在橋梁設計中被廣泛應用。與混凝土梁相比，疊合梁具有自重較輕、吊裝方便的優(yōu)點。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，對流場作用敏感，易出現氣動不穩(wěn)定現象，所以在設計疊合梁斜拉橋時，風致振動的控制應成為關鍵性問題。

胡峰強等[8]對獨塔流線箱形主梁斜拉橋的抗風性能進行了研究，風洞試驗結果表明，該主梁斷面橋型具有良好的抗風性能。羅兵[9]研究了獨塔斜拉橋在不同橋塔方案下橋塔馳振和渦激振動性能。段青松等[10]研究了人行道欄桿對雙塔單跨疊合梁斜拉橋渦激振動性能的影響。戰(zhàn)慶亮等[11]研究了風嘴、下穩(wěn)定板和挑梁等氣動措施對雙塔和獨塔疊合梁斜拉橋抗風性能的影響。但是，目前少有文獻對三塔雙跨疊合梁斜拉橋抗風性能進行研究。本文以某在建三塔雙跨鋼混疊合梁斜拉橋為研究背景，通過數值模擬計算和節(jié)段模型風洞試驗研究了其顫振穩(wěn)定性和渦激振動性能，研究結果可為設計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，兩側分別設置一個輔助墩和過渡墩，整體布置如圖1所示。3號塔高約160 m，4號塔和5號塔高約180 m。主梁寬32 m，高3.0 m，其中邊跨51 m范圍內為混凝土梁，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重現期10 min年平均最大風速U10=24.3 m/s。主梁基準高度均值d=65.85 m，風速沿高度變化修正系數K1B=1.0×（d/10）0.16=1.352，故主梁高程處設計基準風速Ud=K1B×U10=32.7 m/s。

主梁顫振檢驗風速[Ucr]=1.2×μf×Ud，其中，μf為考慮風的脈動特性以及空間相關特性影響的修正系數，根據該橋跨度和地表粗糙度類別取為1.29，故成橋狀態(tài)主梁顫振檢驗風速[Ucr]=1.2×μf×Ud=50.6 m/s。對于施工階段，取重現期為10 a，相應的風速折減系數為0.84[3]。該橋各階段風速標準見表1。

表1 風速標準 m/s

2 橋梁動力特性計算

橋梁動力特性主要關注結構的整體行為，為提高計算效率，本研究對實際模型進行了適當簡化，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，二期荷載質量用質量點單元MASS21模擬，主梁和斜拉索之間采用剛臂連接。

本文對該橋成橋狀態(tài)和施工過程中最大雙懸臂施工狀態(tài)兩種工況進行了動力特性計算，其中最大雙懸臂施工狀態(tài)為以4號塔處為起點向兩側對稱懸臂拼裝至合攏處。橋梁動力特性見表2。

表2 動力特性

3 節(jié)段模型風洞試驗

節(jié)段模型風洞試驗在西南交通大學XNJD-1工業(yè)風洞第二試驗段中進行，該試驗段設有測試節(jié)段模型風致振動的試驗裝置。橋梁節(jié)段模型縮尺比為1∶45，按幾何縮尺比嚴格模擬主梁的幾何外形，并在模型兩端設置端板，以保證加主梁斷面氣動繞流的二維特性。制作完成的模型由8根拉伸彈簧懸掛在支架上，形成可豎向運動和繞模型軸線轉動的二自由度振動系統(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 風洞試驗節(jié)段模型

3.1 顫振穩(wěn)定性試驗

風洞試驗測試了在 -5°、-3°、0°、+3°和+5°風攻角下的顫振穩(wěn)定性。試驗結果表明，在成橋狀態(tài)對應實橋風速為72.42～87.29 m/s和最大雙懸臂施工狀態(tài)對應實橋風速為66.48～83.00 m/s時（見表3和表4），主梁均未發(fā)生顫振發(fā)散現象，此時風速已經高于顫振檢驗風速較多，可知橋梁結構具有良好的顫振穩(wěn)定性。

3.2 渦激振動試驗

根據文獻[12]，渦激振動豎向振幅允許值為：

表3 成橋狀態(tài)顫振風速檢驗

表4 最大雙懸臂施工狀態(tài)顫振風速檢驗

扭轉振幅允許值為：

渦激振動振幅允許值見表5。

表5 渦激振動振幅允許值

渦激振動試驗進行了在-5°、-3°、0°、+3°和+5°風攻角下主梁的渦激振動響應，試驗在均勻流場中進行，試驗風速對應實橋風速0～40 m/s，控制風速步長對應實橋風速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攻角下渦激振動豎向振幅與扭轉振幅，其中振幅簡化為相對于規(guī)范允許值的無量綱參數。

圖4 成橋狀態(tài)主梁渦激振動響應

圖5 最大雙懸臂施工狀態(tài)主梁渦激振動響應

渦激振動試驗結果表明，成橋狀態(tài)出現了較為明顯的渦激振動現象，其中，當風速小于28 m/s時，豎向振幅和扭轉振幅未超過規(guī)范允許值，當風速為28～34 m/s時，+5°和+3°風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°風攻角下扭轉幅值的最大值超過了規(guī)范允許值約50%，但成橋狀態(tài)設計基準風速為32.7 m/s，重現期為100 a，大橋的設計基準期也為100 a，二者一致，其保證概率為99%，即在設計基準期內，風速不超過設計基準風速的概率為99%，超過設計基準風速的概率為1%[12]，故風速達到28～34 m/s的概率也較低，不會對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施和二期荷載后，最大雙懸臂施工狀態(tài)的渦激振動幅值遠低于規(guī)范允許值，具有良好的渦激振動性能。總體來說，該三塔雙跨疊合梁斜拉橋具有較好的渦激振動性能。

4 結論

（1）該三塔疊合梁斜拉橋成橋狀態(tài)設計基準風速為32.7 m/s，顫振檢驗風速為50.6 m/s，施工狀態(tài)設計基準風速為27.5 m/s，顫振檢驗風速為42.5 m/s。

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

（3）風洞試驗結果表明，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)結構不同風攻角下的顫振臨界風速均遠大于相應的顫振檢驗風速，表明結構具有良好的顫振穩(wěn)定性。

（4）風洞試驗結果表明，成橋狀態(tài)時，該三塔疊合梁斜拉橋會出現渦激振動現象，有相應的渦激振動區(qū)，低風速渦激振動區(qū)的渦激振動幅值未超過規(guī)范允許值，高風速渦激振動區(qū)最大渦激振動幅值超過規(guī)范允許值約50%，但其發(fā)生概率很低，不會對橋梁安全和使用性能造成顯著影響，但應引起重視。最大雙懸臂施工狀態(tài)時，渦激振動響應遠低于規(guī)范允許值，具有良好的渦激振動性能。