一種對稱A型橋塔抗風(fēng)性能研究

謝瑜軒 冉蕓誠 董長甜

為研究并行雙幅斜拉橋?qū)ΨQA型橋塔自立狀態(tài)下的動力抗風(fēng)性能，文章以某大跨度斜拉橋為背景，通過開展氣彈模型風(fēng)洞試驗，研究了該種橋塔在均勻流和紊流下的風(fēng)致響應(yīng)及特性。結(jié)果表明：均勻流場下，橋塔未發(fā)生馳振，且考慮實際橋位相比風(fēng)洞更大的紊流度，橋塔發(fā)生渦振的可能性較小;紊流場下，橋塔迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)的抖振位移順橋向均較大，兩者差異很小，通過機械措施增大結(jié)構(gòu)阻尼，能有效抑制抖振位移。研究結(jié)果可為類似橋塔施工自立狀態(tài)的抗風(fēng)安全設(shè)計提供參考。

對稱A型橋塔; 抗風(fēng)性能; 風(fēng)洞試驗; 機械措施

U441.3?? A

[定稿日期]2021-07-06

[作者簡介]謝瑜軒（1994～），男，在讀碩士，研究方向為橋梁風(fēng)工程;冉蕓誠（1997～），男，在讀碩士，研究方向為橋梁風(fēng)工程;董長甜（1998～），男，在讀碩士，研究方向為橋梁風(fēng)工程。

橋塔是斜拉橋結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，對于斜拉橋而言，隨著橋梁跨度的增大，橋塔的高度也會相應(yīng)增高，其阻尼和剛度則會減小，橋塔的風(fēng)致振動可能會成為設(shè)計、施工的控制因素之一;尤其是當(dāng)橋梁在施工階段時，橋塔缺少拉索的約束而處于剛度與阻尼較小的自立狀態(tài)（裸塔），作為一種細(xì)高柔結(jié)構(gòu)，橋塔對風(fēng)的作用更為敏感，橋塔的抗風(fēng)性能將成為設(shè)計選型的重要因素之一。橋塔自立狀態(tài)風(fēng)致振動主要表現(xiàn)為渦振、馳振與抖振。其中渦振對于結(jié)構(gòu)雖然不會直接破壞結(jié)構(gòu)，但是其具有起振風(fēng)速低、頻度大的特點，可能會造成橋塔的疲勞損傷，進(jìn)而可能形成一種施工隱患。橋塔自立狀態(tài)一般具有足夠的馳振穩(wěn)定性。橋塔的抖振是一種限幅振動，一般不會像顫振那樣引起災(zāi)難性的破壞。但是較大的抖振響應(yīng)會對橋梁其他結(jié)構(gòu)的施工造成影響，如主梁和拉索的施工，甚至?xí)＜笆┕と藛T和機械設(shè)備的安全。因此對于橋塔在施工階段發(fā)生的抖振問題不能忽視。

本文以某大跨度并行曲面鋼箱梁斜拉橋為背景，設(shè)計開展自立橋塔氣彈模型風(fēng)洞試驗，分別研究了橋塔在均勻流風(fēng)場和紊流風(fēng)場下的風(fēng)致響應(yīng)，為同類型橋梁的抗風(fēng)研究提供參考。

1 風(fēng)洞試驗

1.1 工程背景

本研究依托的工程背景為四川遂寧涪江六橋初步設(shè)計方案，該橋為雙塔五跨的斜拉橋，全長748 m，其中主跨長為328 m，邊跨長210 m，橋型布置如圖1所示。該方案的橋塔結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。為了確保四川遂寧涪江六橋橋塔在施工自立階段（裸塔）的抗風(fēng)安全，特地對橋塔的抗風(fēng)性能進(jìn)行了較為系統(tǒng)的模型風(fēng)洞試驗研究。本文主要介紹1∶60縮尺比橋塔自立氣彈模型在0～90°風(fēng)向角條件下風(fēng)洞試驗研究的內(nèi)容和結(jié)果，主要包括均勻流中橋塔的渦激振動性能，馳振性能以及紊流場中的抖振響應(yīng)。

根據(jù)JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[1]，該橋位于開闊的江面上，符合規(guī)范中對B類地表狀況的描述，按B類地表選取地表粗糙度系數(shù)α=0.16，地表粗糙高度z0=0.05。

據(jù)上述設(shè)計基本風(fēng)速和和最新的JTG/T 3360-01-2018《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定4.2.6-1，橋梁的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為：

Vd=kfV10zz10α

式中：z表示跨中橋面離開水面的高度，kf為抗風(fēng)風(fēng)險系數(shù)，當(dāng)24.5<V10<32.6時，kf的取值為1.02;z10表示標(biāo)準(zhǔn)高度，即z10=10 m。V10表示橋位10 m高度處設(shè)計基本風(fēng)速，即V10=26.3 m/s;α為冪指數(shù)。取α=0.16。橋塔三分之二高度處距離水面高度按平均水位計算為73.34 m，則橋塔處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為：Vd=36.89 m/s，馳振檢驗風(fēng)速為：Vs>1.25Vd=46.11 m/s。

1.2 試驗參數(shù)

橋塔的氣動彈性模型與全橋氣彈模型中的橋塔保持一致，其剛度和質(zhì)量嚴(yán)格按照相似關(guān)系進(jìn)行設(shè)計和制作。在安裝完成后，其面內(nèi)和面外彎曲振動頻率能夠較好滿足設(shè)計要求，如表1所示。同時為增加其阻尼比（鋼結(jié)構(gòu)阻尼比一般為0.5 %），采用了在外模接縫處輔以無剛性膠帶條方法。

試驗在西南交通大學(xué)XNJD-3風(fēng)洞第一試驗段進(jìn)行。該試驗段風(fēng)速范圍為1～20 m/s，能夠滿足橋塔氣彈模型的阻塞度要求和風(fēng)速范圍要求;配備的轉(zhuǎn)向裝置也能滿足0～90°風(fēng)向角（10°為一個間隔）的要求。同時，為了考察兩個塔柱的干擾效應(yīng)，分別針對迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)兩個塔柱安裝了兩個激光位移計，記錄兩個塔柱的位移。

試驗分別在均勻流和紊流條件下進(jìn)行，以分別在10個風(fēng)向角下考察結(jié)構(gòu)的渦振、馳振和抖振響應(yīng)。試驗時，以橋面為參考，將橫橋向來風(fēng)定義為0°風(fēng)向角，將順橋向來風(fēng)定義為90°風(fēng)向角，如圖3所示。

2 均勻流風(fēng)洞試驗

均勻流自立橋塔氣彈模型風(fēng)洞試驗如圖4所示：

圖5和圖6分別給出了0°風(fēng)向角和10°風(fēng)向角下橋塔渦振位移隨風(fēng)速的變化曲線。

在順橋向阻尼比0.5 %，橫橋向阻尼比1 %的條件下，在均勻流中，只有0°和10°風(fēng)向角工況下橋塔出現(xiàn)了較為明顯的渦激振動響應(yīng)。從圖5和圖6可以看出，0°風(fēng)向角下的起振風(fēng)速為20 m/s，振幅達(dá)到96 mm;10 °風(fēng)向角下的起振風(fēng)速為16 m/s，振幅達(dá)到47 mm。在其余風(fēng)向角下未觀察到明顯的渦激振動。此外，在0°到90°范圍內(nèi)，在馳振檢驗風(fēng)速范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)橋塔發(fā)生馳振現(xiàn)象。

考慮到實際橋位處紊流度在10 %左右，且鋼橋塔橋塔的整體阻尼一般高于規(guī)范要求的0.5 %，因此實際條件下橋塔發(fā)生渦激共振的可能性比較小。

3 紊流風(fēng)洞試驗

紊流自立橋塔氣彈模型風(fēng)洞試驗如圖7所示：

圖8和圖9分別給出了0°風(fēng)向角和10°風(fēng)向角下橋塔抖振位移隨風(fēng)速的變化曲線。

從圖8和圖9可以看出，在順橋向阻尼比0.5 %，橫橋向阻尼比1 %的條件下，紊流中，橋塔在不同風(fēng)向角下都發(fā)生了顯著的抖振，抖振位移隨風(fēng)速的提高而增大。抖振位移隨風(fēng)向角的變化如表2所示。

從表2可以看出，橋梁在橫橋向未發(fā)生明顯的位移，順橋向位移在0°風(fēng)向角時最大，為36.3 mm，最小抖振位移出現(xiàn)在80°風(fēng)向角條件下，為29.8 mm。

此時無論是迎風(fēng)側(cè)塔柱還是背風(fēng)側(cè)塔柱，兩者的抖振位移差異很小，因此可認(rèn)為兩個塔柱之間沒有顯著的干擾效應(yīng)，且橋塔的整體剛度較好。從中也可以看出，兩個塔柱的順橋向位移較大，且差異很小。橋塔橫向位移則相對較小。同時，在不同的風(fēng)向角條件下未觀察到橋塔有明顯的渦激振動。

4 機械措施

如前文所述，考慮到實際橋位處紊流度在10 %左右，且鋼橋塔的整體阻尼一般高于規(guī)范要求的0.5 %，因此實際條件下橋塔發(fā)生渦激共振的可能性比較小。前文的風(fēng)洞試驗表明在紊流風(fēng)場中，橋塔在各個風(fēng)向角下都容易發(fā)生顯著的抖振響應(yīng)，針對該現(xiàn)象，采取機械措施，即提高橋塔結(jié)構(gòu)的阻尼比來優(yōu)化橋塔在紊流風(fēng)場中的抖振響應(yīng)。同樣采取在外模接縫處輔以無剛性膠帶條的方法來提高橋塔結(jié)構(gòu)的阻尼比。具體工況如表3所示：

通過圖10可以明顯看出，在增加了結(jié)構(gòu)的阻尼比后，兩個風(fēng)向角下橋塔順橋向下的抖振響應(yīng)位移有明顯的降低。0°風(fēng)向角下背風(fēng)側(cè)橋塔的抖振響應(yīng)位移在提升阻尼比后由36.3 mm降低至32 mm，迎風(fēng)側(cè)橋塔的抖振響應(yīng)位移也同樣降低。10°風(fēng)向角下兩側(cè)橋塔的抖振響應(yīng)顯著降低，最大位移僅有24 mm。同樣的，在增加橋塔結(jié)構(gòu)阻尼比的過程中，無論是迎風(fēng)側(cè)塔柱還是背風(fēng)側(cè)塔柱，兩者的抖振位移差異也很小，橋塔橫橋向也未發(fā)生明顯的位移響應(yīng)。

5 結(jié)論

本文通過某跨江大橋自立橋塔的風(fēng)洞試驗，探究其抗風(fēng)特性，主要得出了以下結(jié)論：

（1）在均勻流中，只有0°和10°風(fēng)向角工況下橋塔出現(xiàn)了較為明顯的渦激振動響應(yīng)。0°到90°風(fēng)向角下，在馳振檢驗風(fēng)速范圍內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)橋塔發(fā)生馳振現(xiàn)象。

（2）在紊流中，橋塔在不同風(fēng)向角下都發(fā)生了顯著的抖振，抖振位移隨風(fēng)速的提高而增大。

（3）無論是迎風(fēng)側(cè)塔柱還是背風(fēng)側(cè)塔柱，兩者的抖振位移差異很小，因此可認(rèn)為兩個塔柱之間沒有顯著的干擾效應(yīng)，且橋塔的整體剛度較好。從中也可以看出，兩個塔柱的順橋向位移較大，且差異很小。橋塔橫向位移則相對較小。

（4）在增加了結(jié)構(gòu)的阻尼比后，兩個風(fēng)向角下橋塔順橋向下的抖振響應(yīng)位移有明顯的降低。

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