塔吊对高柔桥塔风致振动响应的影响

钱帮虎

(天津城建设计院有限公司，天津 300122)

随着桥梁跨度的增加，桥塔高度不断增加。桥塔属于典型的高柔结构，风荷载是主要荷载之一。在施工阶段，桥塔由于没有缆索的支撑作用，刚度相对较低，阻尼也较小，在风荷载作用下很容易发生涡激振动、驰振以及随机抖振［1－3］。在桥塔设计阶段，控制驰振发生风速大于驰振检验风速［4］，涡振和随机抖振振幅控制在规范允许的范围内［5－6］，以保证行车的舒适性和结构的安全性。虽然随机抖振通常不会像颤振和驰振那样引起灾难性的破坏，但在施工期间过大的抖振响应可能危及施工人员和机械的安全，因此，对高柔桥塔的抖振问题不能忽视［3］。大多数桥塔自立状态实验只测试裸塔的风振响应［7］，本文研究塔吊对高柔桥塔风振响应的影响，通过测试均匀流场和B类紊流场中有无塔吊时的抖振位移，进行数据分析。

1 工程概况

本文研究的桥塔是某三塔四跨长江大桥的中塔。该桥主跨为850 m的叠合梁悬索桥，桥跨布置为(200+850+850+200)m，主梁梁高3 m，宽38 m。中塔高度152 m，桥面以上塔柱和上横梁采用钢结构，桥面以下塔柱和下横梁采用混凝土结构。桥塔布置如图1所示(图中长度单位为cm)。

2 模型设计与制作

一般的门式桥塔由于顺桥向刚度比较小，一阶顺桥向弯曲频率低于一阶横桥向弯曲频率。本文研究的桥塔接近门式桥塔，与门式桥塔的主要区别在于其上塔柱呈“人”字形，在下横梁处分开且距离较大，增加了桥塔的顺桥向刚度，从而使得横桥向频率低于顺桥向频率。桥塔顺桥向和横桥向的基频见表1。表1给出了实际桥塔的频率，模型的要求频率、计算频率和实测频率以及模型的阻尼比。桥塔模型顺桥向和横桥向实测频率与设计要求频率之间的偏差均小于5%，桥塔模型顺桥向和横桥向阻尼比均小于规范规定的限值0.5%。其中实际桥塔频率和模型计算频率均采用ANSYS空间结构通用有限元分析软件计算得到。

考虑到本文研究的桥梁要做全桥实验，全桥中可以利用该桥塔，所以桥塔的几何比例和全桥一样(即λL=1/179)。在桥塔气弹模型设计、制作中，不仅要模拟几何尺寸和风场特性，而且还要模拟气动弹性特性。一般说来，气弹相似性包括结构的长度、弹性和密度的相似条件以及气流的密度、速度、重力加速度和粘性等的相似条件，这些物理量可以用几个无量纲参数来表示，如Reynolds数、Froude数、Strouhal数、Cauchy数、密度比和阻尼比等［8］。根据相似性要求得到主要的相似比如表2所示。

图1 桥塔布置图

表1 实际桥塔和模型的频率以及模型的阻尼比

表2 主要相似比

3 试验方案

根据桥址处风环境，在大气边界层风洞中用尖劈和粗糙元模拟B类地貌流场。采用激光位移计测试桥塔的位移，其中顺桥向安装4个激光位移计，分别装于塔顶处(2个)和桥塔的设计基准风速高度处(即0.65H处，H为塔高)(2个)，横桥向安装2个激光位移计，分别装于塔顶处(1个)和0.65H处(1个)，这样可以同时测量桥塔顺桥向和横桥向的位移。通过转动桥塔位置，测试桥塔在不同风偏角下的抖振位移随风速的变化规律，其中桥塔顺桥向和横桥向的抖振位移均值随风速的变化规律接近抛物线［2］。本文研究在不同风偏角下桥塔的抖振位移响应，为了便于比较，选择的试验风速是设计基准风速(36.3 m/s)。试验中通过转动模型来模拟10 种风偏角，风偏角分别为0°、5°、15°、30°、45°、60°、75°、85°和 90°，其中风偏角为来流风方向和桥塔平面之间的夹角。由于在0°风偏角下，桥塔横桥向位移均值和顺桥向位移方差较大，所以增加了5°风偏角的试验工况;由于在90°风偏角下，桥塔顺桥向位移均值和横桥向位移方差较大，所以增加了85°风偏角的试验工况。

4 桥塔风振响应分析

4.1 顺桥向风振响应分析

图2为桥塔塔顶处和0.65H处在设计基准风速下测试得到的顺桥向位移随风偏角的变化曲线，风速和位移响应均已换算成相应的实桥值。

图2 顺桥向位移均值和方差随风偏角变化曲线

从图2中可以看出:均匀流场和紊流场下塔顶处和0.65H处顺桥向位移均值随风偏角变化趋势基本一样，数值相差较小;在不同风偏角下，塔顶处顺桥向最大位移均值发生在风偏角为90°处;在不同风偏角下，0.65H处顺桥向最大位移均值发生在风偏角为60°处。在不同风偏角下塔顶处顺桥向最大位移均值是0.65H处的4倍左右;在不同风偏角下，塔顶处有塔吊情况下最大位移均值比无塔吊时小，B类紊流场比均匀流场小，但数值相差很小，且在不同的风偏角下大小关系也不同;塔顶处和0.65H处顺桥向位移方差都是均匀流场比B类紊流场大，有塔吊比无塔吊的数值大，这是由于紊流场中来流的脉动成分增加了结构的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了结构的抖振位移;均匀流场和紊流场下塔顶处顺桥向位移方差比0.65H处小，这是由于塔顶处紊流度比0.65H处小，顺桥向位移方差对紊流度变化较敏感;风偏角对塔顶处顺桥向位移方差影响较大，而对0.65H处顺桥向位移方差影响较小;塔顶处顺桥向最大位移方差在风偏角为0°处，而此偏角下顺桥向位移的均值最小。

4.2 横桥向风振响应分析

图3为桥塔塔顶处和0.65H处在设计基准风速下测试得到的横桥向位移随风偏角的变化曲线，风速和响应均已换算成相应的实桥值。

图3 横桥向位移均值和方差随风偏角变化曲线

从图3中可以看出:均匀流场和紊流场下塔顶处和0.65H处横桥向位移均值随风偏角变化趋势基本一样，数值相差较小;塔顶处横桥向位移均值在风偏角为0°～60°较大，其中无塔吊时风偏角为30°时最大，有塔吊时风偏角为15°时最大，其中B类紊流场比均匀流场大;0.65H处横桥向位移均值在风偏角为15°～60°较大，其中风偏角为45°时均匀流场和紊流场下横桥向位移均值达到最大;在不同风偏角下，塔顶处横桥向最大位移均值是0.65H处的3倍左右;在不同风偏角下，塔顶处顺桥向最大位移均值与横桥向很接近;塔顶处和0.65H处横桥向位移方差在30°～90°范围内较小，在不同风偏角下横桥向最大位移方差和顺桥向很接近;在不同风偏角下，B类紊流场中塔顶处横桥向最大位移方差发生在风偏角为5°处，均匀流场中塔顶横桥向最大位移方差发生在风偏角为15°处;在不同风偏角下，有塔吊时0.65H处横桥向最大位移方差发生在风偏角为5°处，无塔吊时0.65H处横桥向最大位移方差发生在风偏角为15°处;B类紊流场中塔顶处和0.65H处横桥向位移方差都比均匀流场中大，有塔吊比无塔吊大，这是由于紊流场中来流的脉动成分增加了结构的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了结构的抖振位移。

5 结论

1)均匀流场和B类紊流场中有无塔吊情况下桥塔塔顶处和0.65H处顺桥向位移和横桥向位移均值随风偏角变化趋势基本一致，数值很接近，说明流场类型和塔吊对桥塔顺桥向以及横桥向位移均值的影响很小;塔顶处和0.65H处顺桥向位移和横桥向位移均值在不同风偏角下的最大值基本一致，其中在不同风偏角下塔顶处顺桥向和横桥向最大位移均值是0.65H处的3～4倍。

2)有塔吊时塔顶处和0.65H处顺桥向以及横桥向的位移方差都比无塔吊时大，紊流场比均匀流场大，这是由于紊流场中来流的脉动成分增加了结构的抖振位移，塔吊的特征紊流增加了结构的抖振位移;在不同风偏角下塔顶和0.65H处顺桥向最大位移和横桥向最大位移方差基本一致，其中塔顶处顺桥向和横桥向位移方差比0.65H处的数值稍微大一些。

［1］Simiu E，Scanlan R H.Wind Effects on Structures:Fundamentals and Applications to Design［M］.3 rd.New York:John Wiley＆Sons Inc，1996.

［2］周奇，朱乐东，郭震山.斜风下典型桥塔抖振性能的比较［J］.东南大学学报:自然科学版，2009，39(增刊2):126 －132.

［3］胡庆安，乔云强，刘健新，等.斜风作用下桥塔施工阶段抖振性能［J］.交通运输工程学报，2008，8(2):40－43.

［4］中华人民共和国交通部.JTG/T D60－01—2004 公路桥梁抗风设计规范［S］.北京:人民交通出版社，2004.

［5］康小英.桥塔独塔施工阶段抖振响应分析及制振控制的研究［D］.成都:西南交通大学，2002.

［6］余建新，杨晓蓉，韩天石，等.大型斜拉桥圆柱形桥塔涡激共振的控制［J］.公路交通科技，2008，25(11):66－71.

［7］贺媛，宋锦忠，杨詠晰.桥塔自立状态下抗风性能的比较研究［J］.结构工程师，2007，23(6):49－55.

［8］陈政清.桥梁风工程［M］.北京:人民交通出版社，2005.