峡谷底斜拉桥抗风性能的节段模型风洞试验研究

峡谷底斜拉桥抗风性能的节段模型风洞试验研究

1风场特性研究中国西部高速公路网的建设包括许多连接该峡谷的大型横跨桥梁。目前，已建成的峡谷中的大型桥主要包括湖北四江桥、贵州水库桥、湖南低寨桥等。几座桥梁主跨均超过了900m,其中矮寨大桥主跨1176m,是目前峡谷地区最大跨度缆索承重桥。桥梁跨度越来越大,结构越来越柔,其抗风稳定性能也越来越重要。与平原或沿海地区不同,峡谷地区桥梁桥位处的风场常常存在着明显的三维特性,因此峡谷地区大跨度桥梁抗风性能研究首先必须确定桥位处的风参数。峡谷地区风场的风剖面、风向角、风攻角以及紊流度几个风参数都呈现出一定的三维特性。位于峡谷上的大跨度桥梁主梁不同位置处风剖面可能有着显著区别,而风向角和风攻角可能相差不大,然而,位于峡谷底大跨度桥梁主梁不同位置处风剖面可能相差不大,而风向角和风攻角可能有着显著区别。为此,可以将峡谷地区大跨度桥梁划分为位于峡谷上桥梁和位于峡谷底桥梁。从20世纪70年代中期开始,国内外学者分别采用实测、风洞模拟和数值模拟的方法对峡谷地区的风场特性进行了研究,给出了峡谷上桥位设计风参数的确定方法［1－3］,但对峡谷底大跨度桥梁抗风性能研究较少。迫龙沟大桥位于西藏林芝地区,是一座位于两道峡谷交汇处的峡谷底斜拉桥,主跨为430m,建成后为西藏地区最大跨度斜拉桥,桥型布置图和主梁断面如图1所示。本文以迫龙沟大桥为工程背景,通过弹簧悬挂节段模型风洞试验对大桥颤振和涡振性能进行了检验,并指出了峡谷底大跨度桥梁抗风性能试验需要注意的事项。2主梁风场特性迫龙沟大桥位于西藏林芝地区波密县和墨脱县交界处两道峡谷交汇口,由于峡谷底地势高低起伏较大,两侧山脉蜿蜒曲折,流经峡谷的气流可能具有俯冲、仰冲或斜冲的趋势,大桥可能会受较大风攻角作用。此外,由于大桥位于两道峡谷交汇口,处于两道峡谷内气流汇流处,桥梁跨度方向与两道峡谷主要走势均不垂直,因此大桥可能还会受到较大风偏角作用。《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/TD60—01—2004)［4］(以下简称《规范》)中给出了不同海拔高度地区桥位处基本风速的换算方法,但对于峡谷地区只是指出存在着所谓的“峡谷风效应”并未给出基本风速的详细确定方法,因此,为了获得作用在迫龙沟大桥上更为准确的风场特性,郭震山等人进行了几何缩尺比为1∶1000的地形试验［5］,详细地测量了大桥桥面高度处和桥塔设计高度处的风场分布情况。地形试验结果表明,由于峡谷底大桥主梁跨度方向桥面高程较为接近,平均风速剖面相差不大,因此大桥设计基准高度仍可以参照桥面高度来确定。同时地形试验结果还表明,作用在大桥桥面高度处的风具有明显的风攻角和风偏角,主梁跨中位置处地形试验部分统计结果如表1所示。《规范》［4］中建议的风洞试验宜考察桥梁在风攻角-3°≤α≤3°范围内的颤振稳定性,然而,从表1可以看出,当风攻角为-5.1°,风偏角为0.5°时计算出的颤振检验风速最大,因此对于峡谷底大跨度桥梁还需考察桥梁在更大风攻角范围内的颤振稳定性。考虑到风洞地形试验本身固有缺陷以及更大风攻角发生的概率较小,本文建议考察迫龙沟大桥在风攻角-5°≤α≤5°范围的颤振稳定性,并且偏安全地确定成桥状态颤振检验风速为71.1m/s,施工状态颤振检验风速为62.6m/s。3原主梁板状结构和颤振临界风速试验采用弹簧悬挂节段模型测振风洞试验方法检验迫龙沟大桥的颤振和涡振性能。所有节段模型风洞试验均在汕头大学大气边界层风洞中进行,该风洞的试验尺寸为3.0m(宽)×2.0m(高)×20m(长),空风洞最大风速可达到45m/s。节段模型几何缩尺比为1/40,断面中边梁、中梁和横隔板均采用铝合金材料焊接拼装,桥面顶板由1mm厚铝板和6mm厚三夹板粘合而成,其中铝制顶板与底部纵梁焊接组成刚性框架,以确保模型整体刚度。同时,迫龙沟斜拉桥属于钢混组合结构桥梁,根据《规范》［4］的建议阻尼比取1.0%,在试验中,利用钢绞线阻尼圈调整节段模型系统阻尼比以确保阻尼相似。此外,颤振和涡振试验的节段模型相同,只是通过不同弹簧改变模型系统的刚度,模拟不同频率和风速比,颤振试验风速比约为1∶6,涡振试验风速比约为1∶4。表2为原主梁断面迫龙沟大桥颤振临界风速试验结果,从表中可以看出:5°风攻角下,成桥状态颤振临界风速为63.2m/s,施工状态颤振临界风速为59.4m/s均明显小于相应的颤振检验风速,可以认为原方案的颤振稳定性不满足要求,有必要考虑气动措施提高其颤振临界风速。值得注意的是±3°和0°风攻角下原方案的颤振临界风速均明显高于相应的颤振临界风速,由此可见,若只考察桥梁在风攻角-3°≤α≤3°范围内的颤振稳定性得到的结论将是原方案的颤振稳定性满足要求,而这显然是一个不安全的结论。4顺畅性能研究4.1加风场对颤振临界风速的影响利用气动措施来提高桥梁的颤振稳定性具有节约投资、简单方便、效果显著及可靠等优势,因此目前应用极为广泛。考虑到原断面方案在+5°风攻角成桥状态和施工状态下均明显低于颤振检验风速,因此无法从改动防撞栏杆和检修轨道的形状或位置等一些较小结构外形改动对原断面的气动外形进行改良。借鉴于相关文献［6－8］的研究结论并结合迫龙沟大桥主跨断面的外形特征,作者提出了导流板和风嘴两种气动措施,如图2所示。表3为迫龙沟大桥原方案施加气动措施后各方案的颤振临界试验结果。表3中结果显示:无论成桥状态还是施工状态,施加气动措施后主梁断面的颤振临界风速均高于相应的颤振检验风速。然而,施加导流板后,成桥状态+5°风攻角下主梁断面的颤振临界风速为76.3m/s,比相应颤振检验风速高7.3%;成桥状态+3°风攻角下主梁断面的颤振临界风速为77.2m/s,比相应颤振检验风速高8.6%;施工状态+5°风攻角下主梁断面的颤振临界风速为66.9m/s,比相应颤振检验风速高6.8%。这3种状态在法向风作用下其颤振临界风速均不高于相应颤振检验风速10%,然而,地形试验结果表明,主梁高度处不仅存在明显的风攻角,而且存在较大的风偏角。文献研究案例表明:风偏角对主梁断面的颤振稳定性能有着不利影响,斜风下主梁颤振临界风速可能比法向风下主梁颤振临界风速低15%左右。综上所述,施加导流板后主梁断面在法向作用下颤振稳定性满足要求,但是在斜风作用下可能不满足要求。考虑此因素,可以认为施加导流板后主梁断面的颤振稳定性安全储备不足,不建议使用该种气动措施。此外,施加风嘴后,成桥状态+5°风攻角下主梁断面颤振临界风速为129.3m/s,比相应颤振检验风速高81.9%,其他风攻角下颤振临界风速均大于试验风速20m/s,相当于实桥120m/s以上,也远高于相应的颤振检验风速。施工状态各风攻角下主梁颤振临界风速也均有大幅度提高,远超过相应的颤振检验风速。因此,本文建议风嘴作为迫龙沟大桥颤振改良气动措施并可以得出结论:峡谷底大跨度桥梁颤振气动措施选取时,如只进行了法向风试验检验,建议考虑斜风不利影响,尽可能提高颤振临界风速,保证颤振临界风速有足够的安全储备。4.2风攻角状态涡激共振是一种对结构气动外形十分敏感的风致振动,在实际工程中应通过风洞试验的方法对主梁断面的涡振性能进行检验,避免发生涡振现象或将其振动幅值控制在《规范》［4］允许的范围以内。迫龙沟大桥原方案在进行颤振性能改善后有必要对其涡振性能再次检验。图3~图5为原方案断面各风攻角状态下涡激共振风速锁定区间内振幅根方差随风速的变化曲线,为了方便对比,图中也给出了施加风嘴后主梁断面对应的振幅响应,其中振幅根方差和风速均已换算至实桥值［10］。试验表明:原方案断面成桥状态和施工状态各种风攻角状况下均发生了涡激共振现象,其中成桥状态发生了扭转涡激共振,施工状态发生了竖弯涡激共振并且3°风攻角状态下还发生了轻微的扭转涡激共振。然而,施加风嘴后主梁断面各种状态下均未发现涡激共振现象。如图3所示,迫龙沟大桥成桥状态原方案断面在-3°、0°和3°均发生了扭转涡激共振。-3°风攻角状态下振幅根方差和风速锁定区间均最大,振幅根方差最大值为0.2492°,未超出规范允许振幅值0.3787°,但风速锁定区间为21~30m/s处在设计基准风速内,因此发生概率较大且对行车舒适度和桥梁疲劳有影响。施加风嘴后主梁断面未见明显的涡激共振现象,响应风速范围内振幅根方差小于0.05°,由此可见,施加风嘴后主梁断面成桥状态下涡激共振性能也得到了改善。如图4所示,迫龙沟大桥施工状态原方案断面在-3°、0°和3°均发生了竖弯涡激共振。各种风攻角状态下发生竖弯涡激共振的风速略有差别,但风速锁定区间大小相当。其中,3°风攻角状态下竖弯涡激共振振幅根方差最大,达到0.1132m,未超出规范允许振幅值0.178m。施工状态下原方案断面各风攻角下竖弯涡激共振风速锁定区间较小,风速较高且超过了设计基准风速,因此发生的概率可能相对较小。如图5所示,迫龙沟斜拉桥施工状态原方案断面在3°风攻角状态下还发生了扭转涡激共振,但风速锁定区间较小且振幅根方差均明显小于规范允许值。然而,施加风嘴后主梁断面未见明显的涡激共振现象,相应的风速范围内振幅根方差小于0.04m和0.03°,施加风嘴后主梁断面施工状态下涡激共振性能也要明显优于原方案断面的性能。综上所述,迫龙沟斜拉桥原方案断面成桥状态和施工状态-3°、0°和3°风攻角下均有明显的涡激共振现象发生,且成桥状态下涡振风速锁定区间处在日常生活常遇风速范围内,发生概率较大且对行车舒适度和桥梁疲劳有影响。然而,施加风嘴后各种状态下均未发生明显的涡激共振现象。综上所述,施加风嘴后不但明显提高了原方案断面的颤振临界风速,确保了足够的颤振稳定性安全储备,同时还改善了原方案断面的涡激共振性能。5设计基准高度通过节段模型测振试验对某典型峡谷底大跨度桥梁的颤振性能和涡振性能进行了检验,并通过试验方法进行了颤振稳定性能改善气动措施选取以及颤振性能改善后涡振性能的检验,得到的主要结论如下:①峡谷底大跨度桥梁的设计基准高度可参照桥面高度确定,但考虑峡谷地形复杂性,有必要进行地形风洞试验确定桥位处风攻角和风偏角的大小。