為大跨橋梁的抗風(fēng)安全保駕護(hù)航

文/圖 長沙理工大學(xué)

大跨柔性橋梁屬于風(fēng)敏感結(jié)構(gòu)，風(fēng)荷載是控制大跨橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工和運營的關(guān)鍵因素。在全球氣候變化背景下，超大跨橋梁將面臨更嚴(yán)峻的極端風(fēng)荷載挑戰(zhàn)，其抗風(fēng)設(shè)計安全性和經(jīng)濟性需要更高的標(biāo)準(zhǔn)。

但目前，復(fù)雜風(fēng)場環(huán)境大跨橋梁安全保障技術(shù)仍有不少問題亟待解決，為此長沙理工大學(xué)、大連理工大學(xué)、長安大學(xué)等多家科研單位開展了復(fù)雜風(fēng)場環(huán)境大跨橋梁安全保障關(guān)鍵技術(shù)的聯(lián)合攻關(guān)，歷時10余年，在橋梁抗風(fēng)研究理論、試驗及模擬技術(shù)和方法方面取得重要突破。

突破之一：自然風(fēng)場超大比例橋梁全橋氣彈模型實驗平臺

自然風(fēng)場模擬超大比例橋梁全橋氣彈模型

自然風(fēng)場超大比例橋梁全橋氣彈模型實驗平臺功能

為彌補風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測方法存在的不足，并融合兩者優(yōu)點，研究團(tuán)隊創(chuàng)建了在自然風(fēng)場開展大比例全橋氣彈模型試驗的方法，建成三座氣彈模型(蘇通大橋1:50、美國舊塔科馬橋1:25、俄羅斯伏爾加河橋1:10)和一座試驗塔架(22.5米)。中國工程院院士張喜剛認(rèn)為這是我國橋梁抗風(fēng)學(xué)的一次重要創(chuàng)新，國際上未見橋梁風(fēng)工程研究領(lǐng)域有類似研究方法及試驗基地報道。同時，該項成果還獲得國內(nèi)外多位院士、權(quán)威專家的認(rèn)可和稱贊。

此外，已建成的兩處自然風(fēng)場試驗基地，很好地滿足了風(fēng)速盡可能高、風(fēng)攻角盡可能小、風(fēng)期盡可能長、非平穩(wěn)性和紊流度盡可能低等條件。試驗過程中，風(fēng)速、紊流度等參數(shù)可通過不同孔徑的防風(fēng)阻尼網(wǎng)來予以調(diào)節(jié)，風(fēng)攻角可以通過設(shè)置斜坡調(diào)整。試驗基地還可實現(xiàn)多場耦合、多參數(shù)同步采集，為風(fēng)工程研究提供了寶貴資料。

通過對比發(fā)現(xiàn)，基于自然風(fēng)場的大比例氣彈模型試驗研究方法具有多項優(yōu)點。

其中，相對于風(fēng)洞試驗方法，其優(yōu)點包括突破常規(guī)風(fēng)洞尺寸限制，模型尺寸大，制作精度高，雷諾數(shù)效應(yīng)弱；無需長期占用風(fēng)洞資源，大大節(jié)省電力能源，總體試驗成本不高；可充分研究復(fù)雜風(fēng)場條件(大斜角、非平穩(wěn))下模型的響應(yīng)；可研究橋梁風(fēng)致大幅振動，避免傳統(tǒng)試驗?zāi)Ｐ推茐膿p害風(fēng)洞設(shè)備；模型參數(shù)易調(diào)，可開展多因素(風(fēng)、雨、溫度)下的各類響應(yīng)長期監(jiān)測。

新型橋梁彎扭耦合自由振動試驗裝置與傳統(tǒng)裝置對比

相對實橋現(xiàn)場實測方法，其優(yōu)點包括試驗難度和試驗成本大幅降低，傳感器及測試設(shè)備方便拆裝、檢測；方便開展靜力試驗研究，更準(zhǔn)確地把握橋梁模型系統(tǒng)的參數(shù)特性；對風(fēng)速要求更低，在常遇風(fēng)速(5級至7級)下即可開展顫振后狀態(tài)研究；可直接測量纜索拉力及橋塔基底內(nèi)力時程數(shù)據(jù)，研究范圍更廣；模型氣動外形、邊界條件等參數(shù)方便調(diào)換，研究效率更高。

此外，基于自然風(fēng)場試驗，可獲取不同氣動外形和模態(tài)參數(shù)的大比例氣彈模型，在多種風(fēng)場條件(風(fēng)速、風(fēng)向、紊流度和非平穩(wěn)性)下的響應(yīng)，開展風(fēng)洞試驗和現(xiàn)場實測難以實施的研究內(nèi)容，具體包括：橋梁靜風(fēng)、抖振、渦振及顫振后狀態(tài)特性及風(fēng)致災(zāi)變機理；風(fēng)-車(模型比較大，并且可以遙控)-橋耦合系統(tǒng)振動特性；風(fēng)致纜索應(yīng)力動態(tài)變化及纜索失效引起的局部動力沖擊響應(yīng)；不同氣動措施、結(jié)構(gòu)措施和機械措施對橋梁風(fēng)致振動的控制效果。

同時，基于大型試驗塔架(頂部支架由電機驅(qū)動，可在平面360度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動，從而調(diào)節(jié)試驗風(fēng)偏角)，可開展的研究內(nèi)容包括：橋梁主梁大比例(1/10至1/20)節(jié)段模型(長8米至10米)的渦振、抖振和顫振后狀態(tài)測振試驗、測壓試驗、測力試驗及振動控制試驗；斜拉索(長50米)和吊索(長20米)模型的測振、測力及振動控制試驗。

突破之二：橋梁彎扭耦合大幅自由振動試驗裝置

工程應(yīng)用情況

項目研究團(tuán)隊研發(fā)了橋梁節(jié)段模型大幅彎扭耦合自由振動新型風(fēng)洞試驗裝置，已授權(quán)美國發(fā)明專利。簡要原理為通過圓形輪轂、細(xì)繩和彈簧協(xié)同工作，將彎扭耦合大幅振動通過彈簧的豎向線性拉伸變形來實現(xiàn)，保證不會發(fā)生任何傾斜。這是由于圓形輪轂扭轉(zhuǎn)時，細(xì)繩與輪轂相切，因此彈簧始終保持豎直。

該裝置設(shè)計簡單，安全可靠，構(gòu)思巧妙，克服了傳統(tǒng)裝置大幅振動時面臨彈簧傾斜、質(zhì)量慣矩和剛度時變折減、局部振動干擾等問題。由于輪轂與細(xì)繩之間是滾動摩擦，阻尼非常小，即使單側(cè)扭轉(zhuǎn)振幅達(dá)到20度，機械阻尼比(不含非風(fēng)致阻尼比)也能夠控制在0.2%之內(nèi)。

該裝置不限于橋梁主梁模型，還可推廣至橋梁纜索、建筑結(jié)構(gòu)構(gòu)件、輸電線等剛性模型的大幅耦合振動試驗，并具有五個特點，按其重要性依次為：振幅大(理論沒有上限，功能層面)；阻尼小(品質(zhì)層面)；用途廣(領(lǐng)域?qū)用?；造價低(百元到千元，費用層面)；操作易(與傳統(tǒng)裝置相當(dāng)，應(yīng)用層面)。

該項研究成果被鑒定為達(dá)到國際領(lǐng)先水平，目前已在國內(nèi)免費推廣應(yīng)用。