翟曉亮，朱 青，錢(qián) 程，朱樂(lè)東

(1.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710075; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092;3.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院，上海 200092)

0 引言

隨著橋梁跨徑不斷增大，橋梁結(jié)構(gòu)變得更柔，抗風(fēng)穩(wěn)定性問(wèn)題也更為突出。伴隨著世界，特別是我國(guó)近年來(lái)大跨度、超大跨度橋梁的建設(shè)，橋梁抗風(fēng)研究也不斷成熟，并朝著精細(xì)化的方向發(fā)展。但是，以往國(guó)內(nèi)外大跨度橋梁多數(shù)是跨海、海灣、大江、大河的,傳統(tǒng)的橋梁抗風(fēng)研究也主要針對(duì)此類(lèi)地區(qū)的風(fēng)場(chǎng)特性展開(kāi)。近年來(lái)，隨著我國(guó)山區(qū)高速公路的快速發(fā)展，作為交通設(shè)施關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的山區(qū)大跨度橋梁建設(shè)得到了高速發(fā)展。當(dāng)橋址位于山區(qū)峽谷時(shí)，橋位處風(fēng)場(chǎng)受局部地形影響劇烈。為了得到橋址處的風(fēng)環(huán)境特性，通常需要地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)、CFD分析、或者現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)。目前針對(duì)山區(qū)峽谷地形橋址風(fēng)環(huán)境的研究和數(shù)據(jù)還比較少。

胡峰強(qiáng)等[1]通過(guò)橋址區(qū)地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)確定了北盤(pán)江大橋的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和相關(guān)的風(fēng)特性參數(shù)。孫毅等[2]為了研究平均和脈動(dòng)風(fēng)速在山地中的空間分布規(guī)律，進(jìn)行了10個(gè)不同坡度和高度的三維軸對(duì)稱山體模型的邊界層風(fēng)洞試驗(yàn)。朱樂(lè)東等[3]采用相控陣聲雷達(dá)風(fēng)廓線儀對(duì)該橋橋址區(qū)的風(fēng)剖面進(jìn)行了實(shí)測(cè)。李永樂(lè)等[4]采用CFD計(jì)算軟件對(duì)某深切峽谷橋址處的風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行了研究。韓艷等[5-6]通過(guò)CFD分析得到了澧水大橋所在峽谷橋址處的風(fēng)環(huán)境。王云飛等[7]就復(fù)雜山區(qū)水庫(kù)蓄水對(duì)跨水庫(kù)橋梁橋址處的風(fēng)環(huán)境影響進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。遆子龍等[8]還研究了地表粗糙度對(duì)山區(qū)峽谷地形風(fēng)場(chǎng)的影響。

既有研究結(jié)果表明，山區(qū)峽谷地形風(fēng)環(huán)境具有強(qiáng)烈的三維特性，相較于常規(guī)平坦地貌橋梁，其所處風(fēng)環(huán)境主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：(1)風(fēng)場(chǎng)沿橋跨方向分布不均勻；(2)風(fēng)剖面的指數(shù)模型已不適用；(3)來(lái)流風(fēng)攻角的范圍通常較大；(4)來(lái)流風(fēng)速和風(fēng)參數(shù)嚴(yán)重依賴于來(lái)流風(fēng)向；(5)可能存在較強(qiáng)紊流。(6)通常沒(méi)有合適的風(fēng)速實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，其設(shè)計(jì)風(fēng)速需要根據(jù)附件測(cè)點(diǎn)進(jìn)行換算[9-10]。因此如果用規(guī)范中的常規(guī)方法得出的設(shè)計(jì)風(fēng)速進(jìn)行抗風(fēng)檢驗(yàn)，可能得到不安全的結(jié)果[11-12]。

以上這些特殊的風(fēng)場(chǎng)特性，比如大攻角、大紊流度等都會(huì)影響山區(qū)橋梁的抗風(fēng)性能[13-14]。如何合理確定復(fù)雜山區(qū)地形中橋梁的設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)，并針對(duì)山區(qū)地形特殊風(fēng)場(chǎng)特性進(jìn)行橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)是目前我國(guó)橋梁抗風(fēng)研究的重要挑戰(zhàn)之一，也是山區(qū)大跨度懸索橋設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

目前大跨度懸索橋加勁梁采用的斷面形式主要有空間桁架、單箱鋼箱梁及中央開(kāi)槽鋼箱梁等形式，當(dāng)橋梁處于山區(qū)峽谷地區(qū)時(shí)，考慮地形條件以及施工因素，空間鋼桁架梁是懸索橋加勁梁斷面的首選形式。雖然桁架加勁梁扭轉(zhuǎn)剛度大，透風(fēng)性能好，但是僅桁架加勁梁本身往往很難滿足氣動(dòng)穩(wěn)定性要求。特別是在大風(fēng)攻角下，橋梁的氣動(dòng)性能降低比較劇烈，顫振臨界風(fēng)速往往很低；在加勁梁截面形式已定的情況下，采用適當(dāng)?shù)谋粍?dòng)氣動(dòng)措施來(lái)改善主梁的顫振穩(wěn)定性能往往是一種最可靠的途徑[15]。因此研究桁架加勁梁懸索橋氣動(dòng)穩(wěn)定措施具有重要的理論和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。在鋼桁梁加勁的懸索橋中，日本明石海峽橋采用了橋面下側(cè)設(shè)置中央穩(wěn)定板和帶開(kāi)孔格柵橋面的方案提高了大橋的顫振穩(wěn)定性[16]，四渡河大橋采用了鋼桁梁中部設(shè)置水平翼板的方案提高了氣動(dòng)穩(wěn)定性。

以跨越獨(dú)木河峽谷鋼桁梁懸索橋——貴黃高速陽(yáng)寶山特大橋?yàn)楸尘?，首先進(jìn)行了橋址地貌風(fēng)環(huán)境風(fēng)洞試驗(yàn)研究，分析其風(fēng)場(chǎng)特性，給出了其顫振臨界風(fēng)速的確定方法；繼而通過(guò)大攻角范圍的彈簧懸掛節(jié)段模型試驗(yàn)，研究了該橋的顫振性能，并提出了改善大攻角下顫振性能的氣動(dòng)措施。

1 工程背景[17]

陽(yáng)寶山特大橋位于貴定縣新巴鎮(zhèn)和德新鎮(zhèn)境內(nèi)，是貴黃高速公路的控制性工程。主橋?yàn)閱慰?650 m鋼桁梁懸索橋(如圖1所示)，主纜計(jì)算跨度為(170+650+210)m，主纜垂跨比為1/10。大橋主梁采用板桁結(jié)合體系，鋼桁梁包括鋼桁架和正交異性鋼橋面板兩部分。主桁架為帶豎腹桿的華倫式結(jié)構(gòu)，主桁桁高5.5 m，桁寬36 m(如圖2所示)。初始設(shè)計(jì)斷面中沒(méi)有圖2中所示的氣動(dòng)穩(wěn)定板，氣動(dòng)穩(wěn)定板是依據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果而設(shè)，設(shè)置目的是提高斷面在較大負(fù)攻角下的顫振性能。

圖1 主橋總體布置圖(單位：m)Fig.1 Overall layout of main bridge (unit: m)

圖2 主梁截面圖(單位：cm)Fig.2 Section of main girder (unit: cm)

圖3 橋址附近10 km直徑地形Fig.3 Terrain of 10 km diameter around bridge site

陽(yáng)寶山特大橋橋址處為高原峽谷地貌，橋址附近10 km直徑范圍內(nèi)地形圖如圖3所示，圖中央直線代表橋址。10 km直徑范圍內(nèi)最低處海拔約800 m，最高處海拔約1 400 m，橋面距水面約316 m。橋址各面幾乎皆有山嶺遮擋，其中正東和西南兩個(gè)方向的山地最高，最高海拔約1 400 m。西南方向海拔約1 400 m的山峰離橋址的距離只有約2 km。正南偏東方向遮擋的山嶺最矮，最高海拔只有1 150m左右，與陽(yáng)寶山大橋主梁海拔高度相當(dāng)。

橋址周?chē)鷱?fù)雜的地形對(duì)橋址處的風(fēng)場(chǎng)有決定性的影響。陽(yáng)寶山特大橋采用地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)來(lái)得到橋址處的設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)。

2 地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)與設(shè)計(jì)風(fēng)參數(shù)確定

2.1 地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)概況

陽(yáng)寶山特大橋橋址地形模型風(fēng)參數(shù)風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 TJ-3大型邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞是一座閉口豎向回流式低速風(fēng)洞，試驗(yàn)段尺寸為寬15 m、高2 m、長(zhǎng)14 m。模型比例為1∶2 500，用于地形模擬的模型核心區(qū)直徑10 km。地形模型由KT板層疊而成，每層的形狀根據(jù)地形等高線確定。每層KT板的厚度為5 mm，對(duì)應(yīng)實(shí)際地形高差為12.5 m。為更好地模擬地形模型的邊界，在10 k范圍以外采用約60°斜坡來(lái)過(guò)渡到地面(見(jiàn)圖4)。模型底面相當(dāng)于海拔851 m(水面高度)，地形模型風(fēng)洞阻塞度約為4%。試驗(yàn)來(lái)流接近于均勻流，即平均風(fēng)速沿高度基本沒(méi)有變化，且湍流度<0.5%，來(lái)流平均風(fēng)速為10 m/s。

圖4 風(fēng)洞中的地形模型Fig.4 Terrain model in wind tunnel

風(fēng)速測(cè)量系統(tǒng)采用澳大利亞某公司的100系列眼鏡蛇探頭及配套控制、數(shù)據(jù)采集設(shè)備。在試驗(yàn)中對(duì)主梁高度跨中，以及貴陽(yáng)、黃平兩側(cè)四分點(diǎn)處的三維風(fēng)速時(shí)程進(jìn)行測(cè)量，然后計(jì)算風(fēng)攻角、風(fēng)偏角以及平均風(fēng)速。在試驗(yàn)中，地形模型被固定在同濟(jì)大學(xué)TJ-3風(fēng)洞的轉(zhuǎn)盤(pán)上，通過(guò)轉(zhuǎn)盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)對(duì)地形模型進(jìn)行不同風(fēng)向角來(lái)流作用下的風(fēng)參數(shù)測(cè)試。試驗(yàn)風(fēng)向角的范圍為0°～360°，間隔10°。陽(yáng)寶山特大橋主梁縱軸線法向與正北正南方向的夾角約為6°，因此增加了6°和186°兩個(gè)風(fēng)向角。這樣總計(jì)有38個(gè)風(fēng)向角。試驗(yàn)中將正北方向定義為0°風(fēng)向角。

2.2 地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果

測(cè)量結(jié)果顯示，3個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速較大的風(fēng)向均是北偏西和南偏東方向。該風(fēng)向基本是沿峽谷走向，而且周?chē)椒遢^矮。而西南和正東方向山峰最高，對(duì)來(lái)流的遮擋效應(yīng)最為明顯，因此該風(fēng)向主梁高度處風(fēng)速最低。

主梁高度3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)攻角差異較大，不少風(fēng)向貴陽(yáng)側(cè)和黃平側(cè)四分點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)攻角反號(hào)。這說(shuō)明來(lái)流風(fēng)攻角受地形影響而沿跨向分布非常不均勻。黃平側(cè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的最大負(fù)攻角達(dá)到-20°左右。黃平側(cè)測(cè)點(diǎn)和跨中測(cè)得的最大正攻角都達(dá)到+9°左右。

由于風(fēng)攻角的范圍非常大，而且最大平均風(fēng)速隨著風(fēng)攻角的增大而明顯減小，因此不能對(duì)全部風(fēng)攻角范圍設(shè)置統(tǒng)一的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，而應(yīng)該針對(duì)不同的風(fēng)攻角范圍取不同的值。

首先需要對(duì)不同風(fēng)攻角范圍的風(fēng)速大小進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。表1所列的是橋面高度不同風(fēng)攻角范圍內(nèi)的3個(gè)測(cè)點(diǎn)所得的最大相對(duì)風(fēng)速比，即各測(cè)點(diǎn)所有風(fēng)向角下的最大平均風(fēng)速和試驗(yàn)梯度風(fēng)速的比值。由于試驗(yàn)在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行，因此在風(fēng)速不再隨高度增加而變化的高度測(cè)得的風(fēng)速即為試驗(yàn)梯度風(fēng)速。

對(duì)于試驗(yàn)測(cè)得的風(fēng)偏角≤20°的情況，直接按試驗(yàn)測(cè)得的相對(duì)風(fēng)速比作為設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值依據(jù)；對(duì)于風(fēng)偏角>20°的情況,對(duì)試驗(yàn)測(cè)得風(fēng)速按風(fēng)偏角進(jìn)行正交分解，即將試驗(yàn)測(cè)得的相對(duì)風(fēng)速比乘以風(fēng)偏角的余弦作為設(shè)計(jì)風(fēng)速的取值依據(jù)。

表1 不同風(fēng)攻角范圍內(nèi)的最大相對(duì)風(fēng)速比Tab.1 Maximum relative wind speed ratio within ranges of different wind attack angles

在跨中位置，±3°風(fēng)攻角范圍的風(fēng)速最大，相對(duì)風(fēng)速比為0.81；總體而言，在±3°以外，風(fēng)速隨攻角增大而減小。兩側(cè)四分點(diǎn)在正攻角時(shí)的風(fēng)速都小于跨中。黃平側(cè)四分點(diǎn)在負(fù)攻角時(shí)的風(fēng)速大于跨中，而且在-15°～+3°范圍內(nèi)，風(fēng)速都較大，相對(duì)風(fēng)速一直保持在0.7～0.8。各測(cè)點(diǎn)在-15°以下攻角時(shí)測(cè)得的相對(duì)風(fēng)速都比較小，小于0.3。

由此可見(jiàn)，最大風(fēng)速并不一定出現(xiàn)在跨中，四分點(diǎn)的最大風(fēng)速可能相對(duì)更大，而且四分點(diǎn)處測(cè)得的風(fēng)攻角絕對(duì)值通常也比跨中大。由于作用在兩個(gè)四分點(diǎn)之間的近跨中梁段上的風(fēng)致靜、動(dòng)力荷載對(duì)橋梁風(fēng)致響應(yīng)起主要作用，因此，需要綜合考慮3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)參數(shù)。偏于保守地對(duì)3個(gè)測(cè)點(diǎn)取最大的相對(duì)風(fēng)速以后，在-10°～+3°風(fēng)攻角范圍內(nèi)，最大相對(duì)風(fēng)速都在0.8以上；在-15°～-10°風(fēng)攻角范圍內(nèi)，最大相對(duì)風(fēng)速為0.71；在+3°～+9°風(fēng)攻角范圍內(nèi)，最大相對(duì)風(fēng)速在0.5～0.6之間。 試驗(yàn)測(cè)得的橋面高度最大順風(fēng)向和豎向紊流度分別為19.1%和13.5%。

2.3 設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振臨界風(fēng)速計(jì)算

地形模型試驗(yàn)結(jié)果顯示，橋址處在某些來(lái)流方向下風(fēng)攻角較大，顯著超過(guò)通?？紤]的±3°風(fēng)攻角，而且在風(fēng)攻角較大時(shí)的最大風(fēng)速有時(shí)并不小于風(fēng)攻角在±3°范圍內(nèi)的最大風(fēng)速。因此，需根據(jù)不同的風(fēng)攻角范圍分別考慮設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。在橋梁運(yùn)營(yíng)期間，沿跨向風(fēng)速分布不均勻，出于安全性考慮，應(yīng)該偏于保守地對(duì)于不同風(fēng)攻角下的設(shè)計(jì)風(fēng)速取不同測(cè)點(diǎn)的最大值。但是，在此之前，首先要建立起風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速和實(shí)際橋址處風(fēng)速的對(duì)應(yīng)關(guān)系。本研究按照梯度風(fēng)速等效原則推導(dǎo)了試驗(yàn)中各測(cè)點(diǎn)的風(fēng)速與橋址附近氣象站基本風(fēng)速的關(guān)系。

試驗(yàn)中每個(gè)測(cè)點(diǎn)風(fēng)速對(duì)應(yīng)的實(shí)際風(fēng)速為：

(1)

式中，Vz為實(shí)際高度Z處的實(shí)際風(fēng)速；Vzm為模型高度zm處測(cè)得的平均風(fēng)速；Vg為實(shí)際的梯度風(fēng)速；Vgm為模型試驗(yàn)中的梯度風(fēng)速。

要最終得到Vz，需要先確定實(shí)際橋址處的梯度風(fēng)速Vg。根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG/T D60-01—2004)[18]中的全國(guó)基本風(fēng)速分布圖和全國(guó)各氣象臺(tái)站的基本風(fēng)速值，橋位西側(cè)貴陽(yáng)市基本風(fēng)速(B類(lèi)地貌地面或水面以上10 m高度處，100年重現(xiàn)期的10 min平均年最大風(fēng)速)為25.3 m/s；橋位東側(cè)凱里市基本風(fēng)速為24.8 m/s，橋位北側(cè)遵義市基本風(fēng)速為24.9 m/s。因此，該橋所在地區(qū)的基本風(fēng)速(標(biāo)準(zhǔn)B類(lèi)場(chǎng)地、10 m高度處、100 a重現(xiàn)期、10 min平均風(fēng)速)可以按照相鄰城市風(fēng)速取最大值為：V10=25.3 m/s。

標(biāo)準(zhǔn)B類(lèi)地貌冪指數(shù)為αB=0.16、邊界層厚度HG,B=350 m，因此橋址上空梯度風(fēng)速取貴陽(yáng)上空梯度風(fēng)速為：

(2)

然后通過(guò)對(duì)各測(cè)點(diǎn)橋面高度處風(fēng)速測(cè)試，即可根據(jù)式(1)得到橋面高度處的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速。

陽(yáng)寶山特大橋主跨長(zhǎng)650 m，考慮風(fēng)速的脈動(dòng)影響及水平相關(guān)特性的無(wú)量綱修正系數(shù)μf可參照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》，按D類(lèi)地表類(lèi)別取為1.36。考慮風(fēng)洞試驗(yàn)誤差及設(shè)計(jì)、施工中不確定因素的綜合安全系數(shù)K=1.2，則100 a重現(xiàn)期成橋運(yùn)營(yíng)狀態(tài)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為：

[Vcr]=K·μf·Vd=1.63Vd。

(3)

陽(yáng)寶山特大橋?qū)崢蛱荻蕊L(fēng)速為44.7 m/s，根據(jù)模型試驗(yàn)梯度風(fēng)和實(shí)橋梯度風(fēng)成比例的原則以及模型試驗(yàn)得出的不同風(fēng)攻角風(fēng)速比?？梢郧蟮貌煌L(fēng)攻角范圍實(shí)橋跨中和四分點(diǎn)的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振臨界風(fēng)速，列于表2。

在±3°風(fēng)攻角范圍內(nèi)，顫振檢驗(yàn)風(fēng)速為59.0 m/s；在-5°～-3°風(fēng)攻角范圍內(nèi)的檢驗(yàn)風(fēng)速更大，達(dá)到60.5 m/s；-10°～-5°風(fēng)攻角范圍內(nèi)檢驗(yàn)風(fēng)速也很大，有58.3 m/s；15°～-10°風(fēng)攻角范圍內(nèi)檢驗(yàn)風(fēng)速依然達(dá)到51.7 m/s。其他風(fēng)攻角范圍內(nèi)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速相對(duì)較低。

表2 橋面高度不同風(fēng)攻角范圍內(nèi)設(shè)計(jì)風(fēng)速(單位：m/s)Tab.2 Design wind speeds within ranges of different wind attack angles of bridge deck height (unit: m/s)

因此，需要對(duì)主梁在-15°～+9°風(fēng)攻角范圍內(nèi)的顫振性能進(jìn)行檢驗(yàn)。

3 顫振穩(wěn)定性檢驗(yàn)和氣動(dòng)措施

節(jié)段模型測(cè)振試驗(yàn)在汕頭大學(xué)邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。汕頭大學(xué)邊界層風(fēng)洞是一座回流式低速風(fēng)洞，風(fēng)洞主試驗(yàn)段寬3 m、高2 m、長(zhǎng)20 m。主梁節(jié)段模型的縮尺比取為λL=1/60，模型的總長(zhǎng)度為1.70 m，豎彎頻率2.22 Hz，扭轉(zhuǎn)頻率5.32 Hz。通過(guò)大攻角范圍節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，研究了原斷面和增加了中央氣動(dòng)穩(wěn)定板(如圖5所示)斷面的顫振性能。

圖5 風(fēng)洞中的節(jié)段模型Fig.5 Sectional model in wind tunnel

試驗(yàn)風(fēng)攻角范圍為-15°～+9°，間隔2°～3°，具體值見(jiàn)表3。試驗(yàn)得到的原斷面和增加中央氣動(dòng)穩(wěn)定板斷面的顫振臨界風(fēng)速也列于表3。

原斷面主梁的顫振臨界風(fēng)速在-3°～+5°風(fēng)攻角范圍內(nèi)都超過(guò)80 m/s；此外隨著攻角絕對(duì)值的增大，斷面顫振臨界風(fēng)速逐漸降低。由于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速也隨著攻角絕對(duì)值下降，原斷面主梁在-3°～+9° 風(fēng)攻角范圍內(nèi)相較于檢驗(yàn)風(fēng)速的富余度超過(guò)40%,即在小攻角和所有正攻角下的顫振臨界風(fēng)速都有較為充足的富余度。但是在較大的負(fù)攻角下，顫振臨界風(fēng)速富余度較低，在-9°攻角下僅有4.63%，在

表3 節(jié)段模型試驗(yàn)顫振臨界風(fēng)速Tab.3 Critical flutter wind speeds in segment model test

-13°和-15°攻角下為7.74%。雖然試驗(yàn)得到的顫振臨界風(fēng)速值都滿足檢驗(yàn)要求，但是考慮到試驗(yàn)的不確定性，太小的富余度可能不足以充分保證大跨度橋梁的顫振安全性，有必要進(jìn)一步研究能提高顫振臨界風(fēng)速的氣動(dòng)措施供實(shí)際工程中參考選用。

研究過(guò)程中采用在主梁橋面板下方設(shè)置3道氣動(dòng)穩(wěn)定板的方法提高斷面的顫振穩(wěn)定性能。經(jīng)過(guò)方案比選，最優(yōu)的穩(wěn)定板高度為82.8 cm，約為主梁高的15%。設(shè)置了穩(wěn)定板后的主梁斷面在負(fù)攻角下顫振性能有了一定改善。臨界風(fēng)速富余度在-9°攻角下提高到了7.38%，在-13°和-15°攻角下分別提高到了14.89%和11.41%。

本研究還通過(guò)節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)設(shè)置中央穩(wěn)定板前后的主梁斷面的渦振性能進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，在以上風(fēng)攻角范圍內(nèi)，設(shè)計(jì)風(fēng)速以下都沒(méi)有觀測(cè)到渦激共振現(xiàn)象。

4 結(jié)論

通過(guò)地形模型風(fēng)洞試驗(yàn)和主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)對(duì)陽(yáng)寶山特大橋的橋址風(fēng)環(huán)境和主梁抗風(fēng)性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究，根據(jù)研究結(jié)果得出以下結(jié)論。

(1)受峽谷地形影響，陽(yáng)寶山特大橋橋址處兩個(gè)四分點(diǎn)之間的風(fēng)攻角可能很大，最大負(fù)攻角達(dá)到-20°左右，最大正攻角達(dá)到+9°左右。由于風(fēng)攻角的范圍非常大，而且最大平均風(fēng)速隨著風(fēng)攻角的增大而明顯減小，因此不能對(duì)全部風(fēng)攻角范圍設(shè)置統(tǒng)一的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，而應(yīng)該針對(duì)不同的風(fēng)攻角范圍取不同的值。

(2)陽(yáng)寶山特大橋主梁高度跨中和兩側(cè)四分點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)攻角差異較大，說(shuō)明來(lái)流風(fēng)攻角受地形影響而沿跨向分布非常不均勻。最大風(fēng)速并不一定出現(xiàn)在跨中。由于作用在兩個(gè)四分點(diǎn)之間的近跨中梁段上的風(fēng)致靜、動(dòng)力荷載對(duì)橋梁風(fēng)致響應(yīng)起主要作用，因此，需要綜合考慮3個(gè)測(cè)點(diǎn)測(cè)得的風(fēng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)風(fēng)速取值。陽(yáng)寶山特大橋設(shè)計(jì)時(shí)取3個(gè)點(diǎn)的最大值。

(3)根據(jù)梯度風(fēng)速等效原則建立了試驗(yàn)所測(cè)風(fēng)速和橋址附近氣象站基準(zhǔn)風(fēng)速的關(guān)系，并根據(jù)不同的風(fēng)攻角區(qū)間確定了設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速和顫振臨界風(fēng)速的取值。然后通過(guò)彈簧懸掛節(jié)段模型試驗(yàn)，研究了主梁斷面在大攻角范圍內(nèi)的顫振性能，發(fā)現(xiàn)主梁斷面在較大負(fù)攻角下顫振臨界風(fēng)速較低，相對(duì)顫振檢驗(yàn)風(fēng)速富余度很小，不到5%。為確保結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)最終采用了“主梁橋面板下方設(shè)置3道縱向永久穩(wěn)定板+橋面上中央分隔帶處設(shè)置1道施工期臨時(shí)穩(wěn)定板”的方式用以提高主梁建設(shè)及運(yùn)營(yíng)期的顫振性能。