蘇 洋，李 鵬，胡 朋，林 偉

(1.重慶交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400074；2.中交第二公路工程局， 陜西 西安 710065；3.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410114)

0 引言

渦激共振是大跨度橋梁在低風(fēng)速情況下非常容易發(fā)生的一種風(fēng)致振動現(xiàn)象。渦激振動是一種帶有自激性質(zhì)的振動，振動的結(jié)構(gòu)反過來又會對渦流形成某種反饋作用，使得渦激共振的振幅受到限制，因此，通常稱渦激共振是一種帶有自激性質(zhì)的風(fēng)致限幅振動[1]。盡管渦激振動不像顫振、馳振那樣會發(fā)散從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生毀滅性的振動破壞，但由于是低風(fēng)速下經(jīng)常容易發(fā)生的振動，且振動幅之大足以影響行車安全和舒適性能，因而在施工或者成橋階段避免渦激共振或限制其振幅在可接受的范圍之內(nèi)具有十分重要的意義[2]。

對于鋼橋塔而言，一方面，相對于混凝土橋塔，鋼橋塔具有質(zhì)量輕，阻尼小，結(jié)構(gòu)相對柔性等特點，在常見的風(fēng)速下也更容易產(chǎn)生較大的振幅，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)質(zhì)量及施工人員的舒適性，甚至危及結(jié)構(gòu)安全。另一方面，高聳的鋼橋塔由于其截面為典型的鈍體斷面，相對于流線型斷面極易發(fā)生風(fēng)致振動現(xiàn)象，所以有必要對鋼橋塔的風(fēng)致振動進行研究。已有橋塔的風(fēng)振響應(yīng)研究大多是針對于裸塔狀態(tài)進行研究分析的[3-14]，而針對施工過程中橋塔及塔吊組合體系情況下的風(fēng)振響應(yīng)的研究并不多見。Takeuchi[15]針對自由豎立的鋼橋塔容易出現(xiàn)渦激振動的特點，采用風(fēng)洞試驗的方法考查了鋼橋塔的氣動特性和渦激振動的發(fā)生機制，并結(jié)合前人研究成果與風(fēng)洞試驗成果，研究了串聯(lián)雙柱式橋塔的氣動穩(wěn)定性，通過合理布置雙肢塔柱的突出附屬物、塔柱截面的切角數(shù)量以及兩塔柱的間距比等參數(shù)來改善橋塔的氣動特性。Larose等[16]針對376 m高的H形鋼橋塔首先進行了兩階段的節(jié)段模型試驗來選取相對較優(yōu)的截面選型，再通過縮尺比1/250的氣動彈性模型試驗進一步優(yōu)化了截面，并指出渦激振動是H形橋塔主要的氣彈現(xiàn)象，通過在H形塔柱雙肢增加透風(fēng)屏障可以有效地減小旋渦脫落現(xiàn)象，從而顯著減小鋼橋塔的渦激共振的振幅。在針對裸塔渦振控制的研究中，葛耀君等[17]以位處于東南沿海的某大跨度懸索橋為工程背景，研究了纜索承重橋梁橋塔自立狀態(tài)下的渦激共振及其振動控制措施。朱樂東等[18]以杭州之江大橋為工程實例研究了鋼橋塔渦振氣動控制措施。以上研究均是僅針對裸塔狀態(tài)，而施工過程中的橋塔和塔吊組合體系的風(fēng)致振動響應(yīng)相對于裸塔的風(fēng)振響應(yīng)而言會有一定的差異，所以有必要將裸塔狀態(tài)及橋塔和塔吊組合狀態(tài)下的風(fēng)振響應(yīng)進行對比分析。

為研究施工狀態(tài)下，塔吊對鋼橋塔風(fēng)致振動的影響，本研究以某跨江大橋鋼橋塔和塔吊組合體系為工程背景，考查了裸塔狀態(tài)下和橋塔與塔吊組合體系下各自的風(fēng)致響應(yīng)，對比分析了塔吊對橋塔渦激振動的影響。研究結(jié)論可為大橋鋼橋塔的風(fēng)致施工安全提供一定的參考。

1 氣動彈性模型風(fēng)洞試驗設(shè)置

氣動彈性模型風(fēng)洞試驗?zāi)茌^為真實地模擬結(jié)構(gòu)的動力特性，也能較為準(zhǔn)確地反映結(jié)構(gòu)與空氣間的相互作用，其主要用于測量結(jié)構(gòu)的氣動彈性響應(yīng)。通過均勻流場中的氣動彈性模型試驗，考查橋塔結(jié)構(gòu)發(fā)生渦激振動、馳振的可能性。橋塔塔吊組合體系氣動彈性模型試驗在湖南科技大學(xué)風(fēng)洞實驗室中進行，該試驗段寬度為4.0 m，高度為3.0 m，長度為17.0 m，風(fēng)速范圍為0～35.0 m/s。實驗室配備直徑3 m的360°連續(xù)可調(diào)轉(zhuǎn)盤，可滿足試驗過程中不同風(fēng)偏角的試驗要求。

1.1 測點布置

根據(jù)該橋塔的特點，氣動彈性模型試驗中選擇塔頂及65%塔高處作為動態(tài)響應(yīng)測量的控制斷面，測定橋塔順橋向和橫橋向位移響應(yīng)。另外在塔吊頂水平起重臂的前端、支撐處及后端增設(shè)3個動態(tài)位移測試點，如圖1所示。

圖1 橋塔及塔吊測點布置圖Fig.1 Layout of measuring points on bridge pylon and tower crane

1.2 測試儀器

動態(tài)位移測試采用英國IMETRUM非接觸式應(yīng)變位移視頻測量儀，該儀器利用其創(chuàng)新性的專有亞像素圖像識別算法，在測量應(yīng)變、旋轉(zhuǎn)以及位移方面具有超高的分辨率，可較方便地實現(xiàn)多點動態(tài)實時同步測量，分析精度在1/1 000個像素內(nèi)。風(fēng)速測試儀器為澳大利亞某公司眼鏡蛇風(fēng)速測量系統(tǒng)，試驗過程中眼鏡蛇風(fēng)速儀安裝在橋塔65%高度處。

2 裸塔狀態(tài)氣動彈性模型試驗

2.1 氣動彈性模型頻率

通過對已有試驗和相關(guān)文獻調(diào)研表明，高聳的鋼橋塔由于其截面為典型的鈍體斷面，極易發(fā)生渦激振動現(xiàn)象。在進行橋塔塔吊組合體系氣彈模型風(fēng)洞試驗之前，應(yīng)首先對裸塔氣動彈性模型進行研究?？疾闃蛩粤顟B(tài)下的氣動性能，并測試可能的渦激振動的發(fā)振風(fēng)速范圍、振動幅度。更進一步的對比裸塔氣彈模型與后續(xù)橋塔塔吊組合體系風(fēng)洞試驗的結(jié)果，由此可分析出塔吊的安裝對橋塔氣動性能的影響。裸塔氣彈模型一階順橋向振動頻率為2.23 Hz，一階橫橋向振動頻率為2.71 Hz，兩者與目標(biāo)值誤差均在3%以內(nèi)。經(jīng)測試，裸塔氣彈模型結(jié)構(gòu)阻尼為0.15%。試驗時模型的縮尺比為1∶75，風(fēng)速比為1∶7.5。

2.2 不同風(fēng)向角下裸塔的風(fēng)振響應(yīng)

對于均勻流場中的風(fēng)洞試驗，考慮到來流方向的不確定性，除了來流風(fēng)向角β=0°(即來流方向與橋軸線垂直)外，根據(jù)橋塔結(jié)構(gòu)外形的對稱特性，進行了風(fēng)向角β=15°，30°，60°，90°(其中角度以模型俯覽時逆時針轉(zhuǎn)動為正方向)時的試驗。在每一種來流風(fēng)向角工況下，考慮到試驗風(fēng)速比較小(1∶7.5)，試驗過程中為了捕獲橋塔可能存在的渦激振動風(fēng)速區(qū)間，試驗風(fēng)速從1.5 m/s開始，每0.25 m/s(相當(dāng)于實橋風(fēng)速為1.9 m/s)為一級試驗風(fēng)速逐級增加，直至約8 m/s(相當(dāng)于實橋約60 m/s)，遠高于施工狀態(tài)設(shè)計風(fēng)速34.9 m/s。

圖2為均勻流中裸塔狀態(tài)0°風(fēng)向角試驗布置圖。圖3～圖7分別給出了不同風(fēng)向角下裸塔塔頂及65%塔高處的順橋向及橫橋向風(fēng)致響應(yīng)均方差。其中，均勻流中的0°風(fēng)向角裸塔氣動彈性模型試驗結(jié)果如圖3所示，由圖可知，裸塔氣彈模型在0°風(fēng)向角下出現(xiàn)明顯的大幅順橋向渦激共振現(xiàn)象，最大實橋振動響應(yīng)均方差達到1.28 m，渦振風(fēng)速區(qū)間出現(xiàn)在12～32 m/s范圍內(nèi)。隨著風(fēng)速增長，當(dāng)風(fēng)速達到47 m/s 后，裸塔氣彈模型發(fā)生大幅發(fā)散性馳振現(xiàn)象。隨著風(fēng)向角的增加，橋塔風(fēng)致振動響應(yīng)顯著降低，沒有發(fā)生明顯的渦激振動和馳振現(xiàn)象。

圖2 裸塔狀態(tài)試驗布置圖(0°風(fēng)向角)Fig.2 Layout of bare pylon test(0° wind angle)

以上試驗表明，裸塔狀態(tài)在常遇風(fēng)速下會出現(xiàn)渦激振動現(xiàn)象，且在高風(fēng)速下會出現(xiàn)較危險的發(fā)散性馳振現(xiàn)象，在對裸塔進行施工時應(yīng)特別注意。

3 橋塔塔吊組合體系均勻流場氣動彈性模型試驗

在裸塔施工時，施工方給出了在橋塔附近采用塔吊的方式進行施工。為考查施工時塔吊的存在對裸塔風(fēng)致振動的影響。為此，針對橋塔塔吊組合體系進行了氣彈模型風(fēng)洞試驗研究。鑒于安裝塔吊后組合結(jié)構(gòu)為單向?qū)ΨQ結(jié)構(gòu)，因此試驗過程中分別進行了0°，±15°，±30°，±60°，±90°風(fēng)向角的測試試驗，試驗過程中組合結(jié)構(gòu)阻尼為0.22%，試驗在均勻流中進行。

圖3 裸塔狀態(tài)下風(fēng)振響應(yīng)均方差(0°風(fēng)向角)Fig.3 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(0° wind angle)

圖4 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(15°風(fēng)向角)Fig.4 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(15° wind direction angle)

圖5 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(30°風(fēng)向角)Fig.5 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(30° wind direction angle)

圖6 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(60°風(fēng)向角)Fig.6 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(60° wind direction angle)

圖7 裸塔狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(90°風(fēng)向角)Fig.7 Mean square error of wind-induced response for bare pylon(90° wind angle)

圖8 橋塔及塔吊組合狀態(tài)試驗布置(0°風(fēng)向角)Fig.8 Layout of test on combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

其中典型的均勻流中橋塔塔吊組合狀態(tài)0°風(fēng)向角試驗布置如圖8所示，圖9給出了均勻流中橋塔塔吊組合狀態(tài)0°風(fēng)向角下順橋向、橫橋向和扭轉(zhuǎn)的風(fēng)振響應(yīng)均方差。由圖可知，橋塔塔吊組合體系狀態(tài)在均勻流場中的風(fēng)振響應(yīng)相比裸塔狀態(tài)顯著減小，并且未發(fā)生渦激振動和馳振現(xiàn)象。針對在±15°，±30°，±60°，±90°風(fēng)向角下，橋塔和塔吊組合體系下的響應(yīng)也遠比裸塔狀態(tài)要小，且未發(fā)生渦激振動和馳振現(xiàn)象。以上結(jié)果表明，施工時塔吊的存在能抑制橋塔的渦激振動和馳振現(xiàn)象，這在一定程度上降低了橋塔施工的風(fēng)險。另一方面，也反映了今后在考慮施工態(tài)下橋塔的施工安全時，不僅應(yīng)考查裸塔狀態(tài)橋塔的渦振響應(yīng)，還應(yīng)考查橋塔和塔吊組合體系下的渦振響應(yīng)。

圖9 橋塔及塔吊組合狀態(tài)風(fēng)振響應(yīng)均方差(0°風(fēng)向角)Fig.9 Mean square error of wind-induced response of combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

針對上述塔吊的存在能抑制橋塔渦激振動現(xiàn)象，分析原因認(rèn)為：由于塔吊是桁架結(jié)構(gòu)體系，它的存在會對橋塔尾部規(guī)則的旋渦脫落產(chǎn)生干擾，從而使塔吊結(jié)構(gòu)起到了抑制橋塔渦振和馳振的有利作用，并最終提高了橋塔和塔吊組合體系的氣動穩(wěn)定性能?？傊?，在上述因素的綜合作用下，當(dāng)塔吊存在時，橋塔的風(fēng)致振動響應(yīng)大大降低，表明塔吊的存在有利于提高橋塔的施工安全。

4 結(jié)論

本研究以某跨江大橋鋼橋塔和塔吊組合體系為工程背景，考查了裸塔狀態(tài)下和橋塔塔吊組合體系下各自的風(fēng)致響應(yīng)，主要結(jié)論如下：

(1)裸塔氣彈模型在0°風(fēng)向角下出現(xiàn)較為明顯的大幅順橋向渦激共振現(xiàn)象，隨著風(fēng)速增長，當(dāng)風(fēng)速達到47 m/s后，裸塔氣彈模型發(fā)生大幅發(fā)散性馳振現(xiàn)象。隨著風(fēng)向角的增加，橋塔風(fēng)致振動響應(yīng)顯著降低，沒有發(fā)生明顯的渦激振動和馳振現(xiàn)象。

(2)在所有試驗風(fēng)向角工況下，橋塔塔吊組合體系狀態(tài)在均勻流場中的風(fēng)振響應(yīng)相比裸塔狀態(tài)顯著減小，并且未發(fā)生渦激振動和馳振現(xiàn)象，表明塔吊的存在會抑制橋塔的風(fēng)振響應(yīng)。

(3)今后在考慮施工態(tài)下橋塔的施工安全時，不僅應(yīng)考查裸塔狀態(tài)橋塔的渦激響應(yīng)，還應(yīng)考查橋塔和塔吊組合體系下的渦激響應(yīng)。