徐 茂，裴 城

(1．蘇交科集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210019; 2．西南交通大學(xué)，四川 成都 610000)

不同于平原地區(qū)，山區(qū)峽谷地區(qū)風(fēng)環(huán)境復(fù)雜，受地形影響較大，山區(qū)風(fēng)參數(shù)的確定也不能按照平原和跨海大橋一樣按規(guī)范直接計算。另一方面，大跨懸索橋由于跨度大、阻尼低、剛度小，是風(fēng)致振動的敏感結(jié)構(gòu)，在強(qiáng)風(fēng)的作用下，容易出現(xiàn)顫振現(xiàn)象，在常見風(fēng)速下容易出現(xiàn)較大振幅的渦激振動，因此抗風(fēng)性能成為懸索橋設(shè)計和建造中的關(guān)鍵問題之一[1-2]。我國公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范和日本、美國、英國等相關(guān)規(guī)范[3]，對跨度超過200 m 的大跨度橋梁建議通過專門的抗風(fēng)性能研究，以確保大橋的抗風(fēng)安全和運(yùn)行舒適度，對不符合設(shè)計要求的斷面形式，提出可行的抗風(fēng)措施[4]。

1 工程背景

某大跨鋼箱梁公路懸索橋，位于紅河州建水(個舊)至元陽高速公路上，主橋?yàn)閱慰鐟宜鳂?，主?00 m，大橋在主梁兩端設(shè)置豎向支撐支座，為了限制橫向靜風(fēng)位移設(shè)置了橫向抗風(fēng)支座。為了限制大橋的縱向位移，減小縱向振動對吊桿疲勞的影響和增加伸縮縫的耐久性，在梁端設(shè)置了縱向黏滯阻尼器。主橋結(jié)構(gòu)布置和主梁斷面如圖1 所示。

2 大橋設(shè)計風(fēng)參數(shù)

橋位處于個舊與元陽之間，可以取周邊氣象站的參考數(shù)據(jù)，橋位距離規(guī)范列舉的氣象站蒙自、元江、文山距離較近，可以取蒙自或者元江的風(fēng)速資料之間的較大者，根據(jù)國家氣象資料2015 年前的氣象資料和周邊地形環(huán)境，可以得到主梁高度處100 a 一遇的10 min 年最大平均風(fēng)速為32．3 m/s。橋位地處山區(qū)峽谷，不能以常規(guī)的風(fēng)速對數(shù)律或者指數(shù)律換算得到橋面設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速，可以按照峽谷風(fēng)速放大系數(shù)進(jìn)行折算[5]。具體為:

其中，H為峽谷底部距離橋面的高度;B1為谷底寬度;B2為橋梁的受風(fēng)長度。橋梁處于山區(qū)，可歸為D 類地表。根據(jù)我國相關(guān)橋梁設(shè)計規(guī)范，施工期可取10 a 重現(xiàn)期，該橋成橋與施工期間的風(fēng)參數(shù)見表1。

表1 大橋設(shè)計風(fēng)參數(shù)

3 結(jié)構(gòu)動力特性分析

大跨橋梁在風(fēng)的作用下，主風(fēng)致振動主要是橫向、豎向和扭轉(zhuǎn)三個方向，必須建立三維有限元模型，才能全面反映橋梁結(jié)構(gòu)的振動情況。由于大橋?qū)儆诩?xì)長結(jié)構(gòu)，可以利用常見的魚骨式有限元模型，即整個鋼箱梁的剛度、平動質(zhì)量和轉(zhuǎn)動質(zhì)量都集中到扭轉(zhuǎn)中心的線性主梁上，主梁與吊桿的連接通過無質(zhì)量的剛性梁(剛臂)相連。橋塔和輔助墩采用一般的梁單元，吊桿和主纜采用只承受拉力的桿單元，并考慮重力剛度(初始拉力) 的影響。表2 給出了影響該橋抗風(fēng)性能的幾個關(guān)鍵振型的計算結(jié)果。

表2 大橋的主要振型、頻率和等效質(zhì)量

4 靜力三分力系數(shù)

主梁靜力三分力系數(shù)是研究橋梁抗風(fēng)性能的基礎(chǔ)，一般是通過主梁剛體節(jié)段模型風(fēng)洞獲取。研究表明，在均勻流中得到的三分力系數(shù)偏于安全，因此橋梁三分力系數(shù)的試驗(yàn)均在均勻流場中進(jìn)行。通過節(jié)段模型得到模型受到的風(fēng)力，反算得到主梁的三分力系數(shù)。根據(jù)公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范，一般試驗(yàn)的風(fēng)攻角為-10° ～10°。在體軸坐標(biāo)系中的試驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。在體軸坐標(biāo)系中，以試驗(yàn)時的水平方向?yàn)闄M軸，豎向?yàn)榭v軸。從圖2 中可以看出，主梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動穩(wěn)定的必要條件。主梁在0°攻角下阻力系數(shù)為0．64，從而表明流線箱型橋梁斷面具有較小的風(fēng)荷載，這也是流線型鋼箱梁的主要優(yōu)點(diǎn)。主梁力矩系數(shù)接近于0，受攻角影響較小。

圖2 主梁三分力系數(shù)隨攻角的變化曲線

5 主梁顫振性能試驗(yàn)

橋梁的顫振是在平均風(fēng)作用下的一種具有破壞性的發(fā)散振動，其振動機(jī)理為在平均風(fēng)速下，振動的橋梁與周邊氣體之間不斷的相互作用，并從風(fēng)中吸收能量，致使振幅越來越大，直至結(jié)構(gòu)破壞。因此主梁的顫振問題是必須解決的問題，必須保障在大橋遇到的風(fēng)速范圍內(nèi)不會發(fā)生顫振，即顫振臨界風(fēng)速必須大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速。顫振臨界風(fēng)速一般通過有限元分析、節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)和全橋模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行。一般情況下，節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果偏于安全，可利用節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)進(jìn)行氣動外形的優(yōu)化，提出改善顫振性能的氣動措施。

節(jié)段模型一般用8 根彈簧模擬豎向和扭轉(zhuǎn)兩個自由度，模擬主梁的豎向和扭轉(zhuǎn)振動。模型縮尺比一般采用1∶50，模型本身必須有一定的剛度，防止局部振動，并保證長寬比大于2。試驗(yàn)裝置和試驗(yàn)照片如圖3 所示。

圖3 動力節(jié)段模型試驗(yàn)

流線箱梁懸索橋的成橋狀態(tài)由豎彎基頻和扭轉(zhuǎn)基頻控制; 同時受扭彎頻率比影響顯著，扭彎頻率比越小，發(fā)生顫振的可能性更大。為選擇正確的計算參數(shù)，需要針對橋梁的對稱振型和反對稱振型進(jìn)行對比。經(jīng)計算，該橋的正對稱扭轉(zhuǎn)頻率與正對稱豎彎頻率的比值較小，試驗(yàn)只針對正對稱振型進(jìn)行。

模型模擬的試驗(yàn)參數(shù)見表3。

表3 振動力節(jié)段模型試驗(yàn)參數(shù)

動力節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)包含成橋狀態(tài)和施工階段。在均勻來流情況下，針對主梁斷面分別進(jìn)行了五種風(fēng)攻角(α為0°，±3°，±5°) 情況下的試驗(yàn)。顫振臨界風(fēng)速測試結(jié)果如表4 所示?？芍? 無論是成橋狀態(tài)還是施工階段，在各試驗(yàn)風(fēng)攻角下，主梁的顫振臨界風(fēng)速均大于顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，證明結(jié)構(gòu)安全。

6 主梁渦激振動性能試驗(yàn)

當(dāng)氣流繞過物體時會在物體兩側(cè)及尾流中產(chǎn)生周期性脫落的漩渦，并對物體產(chǎn)生上下交替的作用力。該周期性漩渦脫落的頻率與風(fēng)速成正比，即隨著風(fēng)速的變化，漩渦脫落的頻率也隨之變化，當(dāng)漩渦脫落頻率與結(jié)構(gòu)某階自振頻率相同時，會發(fā)生共振，這種振動被稱為渦激共振[6-8]。為研究該橋主梁渦激振動性能，考慮了大橋成橋狀態(tài)和100%施工狀態(tài)。渦激振動的試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮囼?yàn)參數(shù)與顫振略有不同，表5 列出部分試驗(yàn)參數(shù)，其他參數(shù)同表4。

表4 節(jié)段模型得出的顫振臨界風(fēng)速結(jié)果

表5 渦振性能風(fēng)洞試驗(yàn)參數(shù)

節(jié)段模型試驗(yàn)針對成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的主梁斷面，均分別進(jìn)行了五種風(fēng)攻角(0°，±3°，±5°) 條件下的渦激振動性能試驗(yàn)。試驗(yàn)在均勻流場中進(jìn)行，風(fēng)速范圍為1 m/s ～18 m/s。試驗(yàn)起始，風(fēng)速步長以0．5 m/s 取值進(jìn)行遞增，找到其渦振區(qū)域后，再適當(dāng)降低風(fēng)速增加步長，繼而確定出渦激共振起始風(fēng)速和最大振幅。

根據(jù)我國有關(guān)規(guī)范，紅河特大橋在成橋狀態(tài)時的一階對稱豎彎、扭轉(zhuǎn)渦振的振幅容許值分別為:

豎向:[ha]=0．04/fh=167 mm。

扭轉(zhuǎn):[θa]=4．56/(fαB) =0．299°。

同樣，施工狀態(tài)時的渦振振幅容許值分別為:

豎向:[ha]=0．04/fh=157 mm。

扭轉(zhuǎn):[θa]=4．56/fαB=0．286°。

試驗(yàn)表明:該橋在施工狀態(tài)在所有試驗(yàn)攻角下均沒有發(fā)生渦激振動現(xiàn)象。成橋態(tài)主梁在- 5°，- 3°，0°，+3°四種攻角情況下，沒有發(fā)現(xiàn)明顯的渦激振動。

在+5°風(fēng)攻角下均有一個比較明顯的豎向渦激振動和扭轉(zhuǎn)渦激振動，豎向振動鎖定風(fēng)速17．8 m/s，振幅為46 mm;扭轉(zhuǎn)鎖定風(fēng)速為23．4 m/s，振幅為0．097°，豎向和扭轉(zhuǎn)振幅均沒有超出規(guī)范容許值，具體如圖4 所示。

圖4 主梁成橋狀態(tài)渦振振幅

7 結(jié)論

1) 本橋鋼箱梁升力系數(shù)斜率為正，說明斷面具備氣動穩(wěn)定的必要條件。主梁在0°攻角下阻力系數(shù)為0．64，從而表明流線箱型橋梁斷面具有較小的風(fēng)荷載。2) 主梁設(shè)計成抗風(fēng)性能較好的鋼箱梁，節(jié)段模型顫振穩(wěn)定性試驗(yàn)表明該橋成橋態(tài)及施工態(tài)在0°，+3°，-3°，+5°，-5°五種攻角下的顫振臨界風(fēng)速大于橋梁結(jié)構(gòu)的顫振檢驗(yàn)風(fēng)速，顫振安全性能夠保證。3) 由于本橋是流線型箱梁，施工狀態(tài)在所有試驗(yàn)攻角下均沒有發(fā)生渦激振動現(xiàn)象。成橋態(tài)主梁在-5°，-3°，0°，+3°四種攻角情況下，均沒有發(fā)現(xiàn)明顯的渦激振動。在+5°風(fēng)攻角下均有一個比較明顯的豎向渦激振動和扭轉(zhuǎn)渦激振動，豎向和扭轉(zhuǎn)渦振振幅均沒有超出規(guī)范容許值。