山区大跨斜拉桥悬臂施工期风振响应实测

刘志文+丁冬+贾亚光+陈政清

摘 要：针对湖南郴州赤石大桥施工期桥位风特性及风致振动响应进行了现场实测与分析.对观测期大风天气桥面高度及桥塔塔顶处平均风速、风向、风攻角及紊流度等风特性参数进行了分析，并对桥梁结构风致振动响应进行了分析.结果表明：当风从北侧吹时风攻角变化范围较大，而当风从南侧吹时风攻角变化范围较小；桥梁结构主梁双悬臂施工期在大风作用下风振响应主要表现为“整体侧弯”以及“整体竖摆”振动； 桥梁悬臂施工期结构自振频率实测值与有限元分析结果吻合较好.

关键词：山区地形；斜拉桥；风特性；风振响应；现场实测

中图分类号：U448.27 文献标志码：A

随着我国交通基础设施建设的进一步推进，跨海湾、山区峡谷大跨桥梁将逐渐成为今后若干时期内大跨桥梁建设的重点.目前我国已有多座已建或在建的跨越山区峡谷的大跨桥梁，如贵州坝陵河大桥、湖南矮寨大桥、湖北四渡河大桥、云南普立大桥、湖南赤石大桥等.大跨斜拉桥多采用悬臂施工法进行建造，其在主梁悬臂施工期结构自振频率较低，在大风作用下易发生振动，因此大跨斜拉桥施工期风致振动问题是该类桥梁抗风设计重点关注内容之一.

山区峡谷桥址风场特性与沿海及平原地区桥址风场特性有明显的区别，山区峡谷桥位风特性复杂、具有阵风大、湍流度大和非平稳性等特点.复杂山区地形的风特性研究早在20世纪70年代就受到关注[1].现场实测是复杂地形风特性研究的有效方法之一.Mouzakis等对希腊雅典附近某风电场风特性进行了实测研究，分别给出了不同风速范围风速、风攻角、脉动风谱等参数[2].宋丽莉等对坝陵河大桥桥位风特性进行了实测研究.研究表明：深切峡谷地形完全改变了局地低层风场，不仅风向和最大风速发生了改变，而且风垂直轮廓线也完全不满足幂指数分布；不同风向湍流强度和不同风向大风在纵、横、垂直方向湍流强度比值也有很明显的差异[3].庞加斌等针对四渡河大桥桥位脉动风特性进行了实测研究.研究表明：山区深切峡谷地形导致脉动风湍流强度明显增大，湍流强度随平均风速增大而减小；湍流积分尺度随平均风速增大而增大[4].李永乐等针对某V型深切峡谷桥位风特性进行了实测研究，提出了深切峡谷区大跨度桥梁复合风速标准概念[5].

近年来，针对大跨桥梁风致振动响应实测也逐渐受到关注.Bietry等针对SaintNazaire斜拉桥进行风致振动响应实测研究，以获得桥位风特性，同时检验Davenport准定常抖振理论[6].Larose针对丹麦大海带东桥在桥塔施工期进行了风观测和结构响应实测.研究表明：开阔近海区域脉动风紊流度较低，试验和实测均观测到桥塔顺风向涡振现象[7].Frandsen针对丹麦大海带东桥进行了风振响应实测研究.实测表明主梁表面压力与主梁振动加速度响应相关性在“锁定”区较强；实测涡振锁定区与试验预测结果接近，但涡振振幅要大于试验预测结果[8].Macdonald针对第二塞文桥施工和成桥运营阶段风振响应进行了实测研究[9].廖海黎等分别针对苏通长江公路大桥和西堠门大桥进行了施工阶段主桥结构桥位风观测与主桥结构风致振动响应实测研究，对这两座桥施工期抗风性能评估提供了必要依据[10].Siringoringo针对日本白鸟悬索桥进行了大风天气风振响应实测.研究表明主梁竖向振动与桥塔顺桥向振动响应随着风速增加而增加；当风速为14～24 m/s时观测到桥塔顺风向的明显振动，该振动可能由桥塔前、后塔柱之间气动干扰效应引起[11-12].

综合所述，尽管已有部分学者针对复杂山区桥位风特性进行了现场实测研究，但鉴于实际桥位地形差别较大，目前对于复杂山区地形桥位风特性的认识还比较粗略；且山区桥梁结构风致振动响应实测研究较少.因此有必要针对复杂山区地形桥位风特性和桥梁结构施工期振动响应进行实测.本文以在建赤石大橋为依托，主要开展施工期桥位风特性和风致振动响应实测研究.

1 桥位风观测系统简介

赤石大桥位于厦门至成都国家高速公路湖南省汝城至郴州段，主桥为四塔五跨预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为：165+3×380+165=1 470 m，大桥立面布置图如图1所示.桥面距离地面182 m.混凝土主梁采用挂篮悬臂浇筑法施工，主梁双悬臂施工期结构自振频率较低，对风作用敏感.桥位附近地形较为复杂，在施工过程中桥位处发生过多次突发大风，10 m高度处瞬时风速最高达32 m/s.为确保大桥施工期抗风安全，对该桥进行施工期桥位风特性和风振响应实测研究.

综合考虑桥位地形特点和大桥施工进度，分别在大桥6#，7#桥塔对应的主梁及塔顶位置布置风速仪和加速度传感器，对大桥施工期桥位风特性和风致振动响应进行实测.根据大桥施工进度，实测分两阶段实施.第一期2014年1月1日～2014年6月10日，分别在6#，7#桥塔塔顶、主梁2#块等位置布置风速仪和加速度传感器.第二期2014年6月10日～2014年12月31日，分别在6#，7#桥塔塔顶、主梁1/4跨等位置布置风速仪和加速度传感器，具体布置和现场照片分别如图2和图3所示.风观测系统由三维超声风速仪（Young81000）、二维机械风速仪（Young 05103）、数据采集仪（Campbell公司CR1000动态数据采集仪）、供电系统及无线传输系统等组成，具体布置及采样频率见表1.桥梁结构振动响应测试系统由加速度传感器（941B型超低频拾振器）、数据采集仪（UEILogger300动态数据采集仪）等组成，具体布置及采样频率见表2.规定风从正北方向吹来时风向角为β=0°.

2 桥位风特性实测结果

2.1 平均风速和风向

限于篇幅，仅给出观测期两个大风天气（20140703，20141005）6#，7#桥塔塔顶、桥面高度处10 min时距平均风速和风向曲线.图4所示为2014年7月3日全天10 min时距平均风速和风向曲线.由图4可知，2014年7月3日早上6：40～8：20期间风速较大，10 min时距平均风速最大值约为12.0 m/s，对应风向大致为南风.图5所示2014年7月3日大风时段（6：40～8：20）桥位风观测点10 min时距平均风速和风向曲线.由图5可知，62#测点（6#桥塔塔顶）风速与6#塔桥面处风速以及7#塔对应塔顶、桥面处风速相比明显偏小，该大风时段各观测点主导风向基本为南风.

2.3 湍流度

圖10所示为2014年10月5日桥面高度处10 min时距平均风速及湍流度曲线.表4给出了观测期间大风天气大风时段湍流度变化范围及均值.由图10及表4可知，不同大风天气大风时段61#测点顺风向湍流强度平均值约为0.15～0.23，横风向湍流强度平均值约为0.13～0.17，竖向湍流强度平均值约为0.13～0.19，对应湍流度平均值的比值为1∶0.79∶0.84，顺风向与水平横风向的湍流强度比值接近于规范推荐值1∶0.88，而顺风向与竖向湍流强度的比值则比规范推荐值1∶0.5大.不同大风天气大风时段71#测点顺风向湍流强度平均值约为0.17～0.32，横风向湍流强度平均值约为0.14～0.21，竖向湍流强度平均值约为0.08～0.12，对应湍流度平均值的比值为1∶0.71∶0.41，接近于规范推荐值1∶0.88∶0.5.

3 风振响应实测结果

比该状态“桥梁整体竖摆”频率计算结果偏大8.1%；主梁横向振动卓越频率为0.241 7 Hz，塔顶横向振动卓越频率为0.251 5 Hz，与桥塔横向侧弯频率计算结果较为接近.实测结果表明：6#塔施工完12#梁段时，在大风作用下桥梁结构风振响应表现为“整体侧弯”以及“整体竖摆”振动；桥梁悬臂施工期结构动力特性实测值与有限元分析结果吻合较好.

4 结 论

以在建的赤石大桥为依托，开展了山区地形高墩大跨桥梁施工期桥位风特性与风致振动响应实测研究与分析，得到如下主要结论：

1）复杂山区地形桥面高度处风速、风向沿桥轴线方向存在一定的不均匀性；大风天气当风从北侧吹时，风攻角变化较大；而当风从南侧吹时，风攻角变化较小.

2）主梁施工期在大风作用下桥梁结构风振响应主要表现为“整体侧弯”及“整体竖摆”振动.

3）桥梁悬臂施工期结构自振频率实测值与有限元分析结果吻合较好.

参考文献

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