超大跨度分离三箱主梁桥梁抗风性能及气动优化研究

崔 兴

(山西省交通建设工程监理总公司)



超大跨度分离三箱主梁桥梁抗风性能及气动优化研究

崔 兴

(山西省交通建设工程监理总公司)

对于超大跨度分离三箱主梁桥梁而言，对风的作用有着较强的敏感性，其抗风的性能已经成为超大跨度桥梁设计中需要重点控制的因素。分离三箱主梁在超大跨度桥梁中是一种典型的主梁断面形式，主要就分离三箱主梁中的抗风性能和气动优方案进行分析，并提出气动措施的相关设置方法。

超大跨度桥；分离三箱主梁；抗风性能

1 前 言

当前，人们对于交通的需求在不断的增强，加上国家与科技的快速发展，进一步推动了桥梁建设往更长、更广的方向发展。但是，随着桥梁跨度的日益增大，风力给其造成的振动问题也越来越突出，尤其是超大跨度桥梁中的抗风性能已经成为了影响其安全建设与正常使用过程中的关健性因素。桥梁的主梁是整个桥梁中最主要的受风构件，其抗风的性能在很大的程度上反映着整座桥梁的抗风性能，因此，对主梁的抗风性能进行合理的优化，已经成了超大跨度桥梁设计中的重中之重。

2 分离三箱主梁气动措施方案与CFD 模拟方法

现以某超大跨度桥梁方案的总体布置为例，该桥的跨径布置为：1 400m+3 500m+1 400m，系为三跨连续悬索桥，主缆利用碳纤维增强塑料，而主梁则采用分离三箱主梁引入已经成功应用在单箱主梁与分离双箱主梁的气动措施优化方案，针对分离三箱主梁建设，分别设计出了六种类型的气动措施优化方案，以对不同气动措施对于分离三箱主梁的气动特性造成的影响程度进行计算。针对设置了不同气动措施的主梁断面，可以通过CFD数值仿真软件FLUENT计算出静力三分力系数与颤振导数。利用线性方法计算出横向屈曲和扭转屈曲两个类型静风的失稳临界风速。利用两个自由度半逆解法计算出桥梁颤振的临界风速。基于FLUENT中的CFD数值模拟，可利用长方形计算区域方法，在迎风侧边界使用速度入口，背风侧边界则采用压力出口，当入口的风速无竖向流动时，上、下边界都可以采用压力出口。在入口的风速受到风攻角影响而出现一定的竖向流动时，则将竖向流动的来流方向边界设定为速度入口，相反的另一个界面为压力的出口。

3 主梁气动稳定性能的优化

3.1 合理的设主梁开槽宽度

主梁开槽的主要目的是为了利用开槽让上下气流可以进行相互的流通，以此对主梁的颤振稳定性能进行优化。如西堠门大桥、意大利墨西拿海峡大桥以及青岛海湾大桥都是采用了这种主梁开槽的断面形式，并且都能对桥梁的振动进行很好的抑制。如，将开槽的宽度分别取为:1m、2m、3m，而主梁的开槽宽度是2m的时候，主梁横向屈曲临界的风速是100.2m/s，其风速比其他的开槽主梁要高，但是相差不是很大，各个断面横向扭转屈曲的临界风速都大于96m/s，其扭转屈曲的临界风速也是在开槽宽度为2m时达到最高值80.8m/s。因此，在对主梁进行开槽时必须严格对其宽度进行控制，如果开槽过小，则和单箱主梁没有明显的差异，如开槽的宽度过大，又较容易致使静风的稳定性降低，特别是对于主梁的扭转稳定性能而言，当其主梁的开槽宽度超过2m时，其扭转屈曲临界风速就会随随着槽的宽度增加而下降。

3.2 合理设置两翼箱梁腹板的水平倾角

在主梁的两侧进行风嘴设置主要是为了对主梁的形状进行改变，让主梁的流线型变得更好，以达到对主梁绕流形态改善的目的。因此，恰当的对其两则的风嘴进行设置，能够在很大的程度上提升主梁的颤振稳定性能。

为了对主梁两测的风嘴形状给主梁造成的影响进行考查，可以利用对分离三箱主梁两翼腹板倾角进行改变的方法开展。如将其基准结构倾角设置为0°，不同的倾角设置分别设置为:-5°和0°，从而得出当两翼腹板的倾角为-5°时，主梁的颤振临界风速最高达到了65.6m/s，比两翼腹板倾角设置0°时颤振临界风速上升了29.13%。当两翼腹板倾角设置为0°时，主梁的颤振临界风最高则是50.8m/s，当两翼的腹板倾角为+5°时，其主梁他颤振临界风速是53.6m/s，比两翼腹板倾角设置为零时高，颤振临界度风速上升了5.51%。从这个结果可以看出，比较扁平的主梁形式可以有效的提升主梁的颤振稳定性能，但却不能不断的利用对其大小进行改变来增加三箱主梁两翼腹板的倾角，因为这样做也很容易降低主梁的颤振稳定性能。

3.3 合理的设置分流板宽度

分流板主要是设置在主梁的两侧，其主要作用是对气流作用进行分离。正常情况下，可以用两条沿桥梁纵向通长平板安装在主梁两翼的风嘴处。合理的对分流板进行设置，可以让气流提前分为上、下两个部分穿过桥梁的断面，并在很大的程度上加强主梁的空气阻碍，从而降低主梁的振幅，对桥梁的振动进行有效的抑制。分流板的宽度度增加，对主梁所受到的风阻力有着极大的影响，分流板宽度越宽，主梁受到的风阻力就会越大，横向的屈曲临界风速就会降低。而主梁中的扭转屈曲临界风速也会随着分流板的宽度而增加，在其宽度低于2m时呈上升趋势，而在其宽度高于2m时，则呈下降趋势。因此，相关的施工人员需将主梁的横向与扭转屈曲稳定性进行综合，在分离三箱主梁内合理的对分流板的宽度进行设置，从而提高桥梁静风稳定的性能。

3.4 合理设置水平稳定板

水平稳定板属于一种平板构件，其本身的稳定性能相对较好，因此在主梁中合理的设置水平稳定板能够有效的提升整个主梁的稳定性。当主梁出现振动时，水平稳定板就会对风的流动状态进行扰乱，干扰风的脉动频率，进而有效的改变脉动风给主梁造成的动力作用。并且水平稳定板在对气流进行扰乱时，还会制造成出一定的空气阻尼，有效的对主梁振动进行抑制。

如，将下侧水平稳定板中心与桥面的高度值分别设定为:0m、1.5m、2.8m、4.1m。可以得出，当水平稳定板与桥面高度距离为1.5m时，进行水平稳定板的设置，就会致使主梁颤振临界风速减弱；而在水平稳定板与桥面高度的距离超过1.5m时，主梁颤振临界风速就会随着水平稳定板的高度增加而上升，但是上升的幅度呈有限状态；当水平稳定板与桥面高度的距离是4.1m时，颤振临界风速最高则达到了53.5m/s，与不设置水平稳定板的情况上升了5.3%。因此，对于水平稳定板进行合理的设置，可以有效的提高分离三箱主梁的颤振稳定性能，需要相关的施工建设人员加以重视。

3.5 合理设置上部竖向稳定板

上部竖向稳定板气动措施的设置主要是为了提升桥梁颤振稳定性能。但是在主梁中设置相应的竖向稳定板，会在一定程度上增加主梁挡风的面积，且其面积会随着竖向稳定板的高度而增加，主梁对于气流的干扰作用就会更加明显。桥梁的颤振大部分都是主梁的扭转振动造成的，由主梁的扭转引起竖向振动。而在桥梁中合理的设置竖向稳定板，可以在很大的程度上增加竖向自由度在颤振过程中的参与度，从而提升桥梁的颤振稳定性能。

如，将上部竖向稳定板的高度分别设置为:0m、1m、2m、3m。可得出，当上部竖向稳定板的高度为是1m时，颤振临界的风速是为38.4m/s，与没有设置上部竖向稳定板的主梁下低了24.4%；而当上部竖向稳定板的高度超过1m时，主梁的颤振临界风速就会随着上部竖向稳定板增加的高度而上升；当上部竖向稳定板的高底设置为3m时，主梁颤振的临界风速相对较高，达到了132.5m/s，与没有设置上部竖向稳定板的主梁上升了160.8%。因此，可以看出，合理的对上部竖向稳定板的高底进行设置，可以有效的加强分离三箱主梁颤振的稳定性能。

3.6 合理的设置下部竖向稳定板

下部竖向稳定板通常都设置在主梁的底部位置，与上部竖向稳定板的功能相同，也会对通过主梁的气流进行干扰，增加主梁受风的面积。对于主梁开槽的三箱主梁而言，对下部竖向稳定板进合理的设置，能够在对主梁下侧的气流运动进行改变的同时，对主梁上侧的气流运动出造成一定的干扰作用。

如，将下部竖向稳定板的各个高度分别设置为:0m、1m、2m、3m，当下部竖向稳定板的高度是2m时，主梁的扭转屈曲临界风速达到了154.4m/s，与不进行下部竖向稳定板设置的主梁相比上升了99.7%；在下部竖向稳定板高度超过2m时，主梁扭转屈曲临界风速就会降低，因此，将主梁的下部竖向稳定板高度设置为为2m时，桥梁的静风稳定性是最好的。

4 结束语

总之，将气动措施合理的设置到超大跨度分离三箱主梁桥梁抗风性能的优化方案中，可让其在不对桥梁结构和使用性能进行改变的前提之下，利用一部分附加小型外部装置或者对构件的外形进行修改，就可以达到对主梁绕流形态改变的目的，从而起到对优化主梁气动特性的作用，大幅度的提升桥梁的整体抗风性能。

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