独塔单索面大跨度斜拉桥风洞试验研究

马 耕

(福州市规划设计研究院 福建福州 350003)

0 引言

非对称式独塔斜拉桥结构新颖、造型美观，在桥梁工程尤其是城市桥梁中有着广泛的应用。由于结构左右刚度不对称，其动力特性与传统对称斜拉桥存在明显不同，由此导致在随机动力荷载下的响应也存在显著区别。与传统桥梁相似，随着跨度增大，结构刚度减少，风荷载作用下的动力失稳问题日益突出。对于地处沿海地区的大跨度不对称独塔斜拉桥，强风作用下的动力稳定性必须在设计阶段进行检验。本文以福鼎八尺门大桥为工程背景，对单索面不对称大跨度独塔斜拉桥的抗风稳定性进行了详细的风洞试验研究，得到了一些有益结论，可供其他类似工程参考。

1 工程概况

八尺门大桥[1-2]位于福鼎市沙埕港末端，地处我国东南沿海台风多发地区，气候条件复杂，受强风影响显著。大桥主桥采用独塔单索面混合梁斜拉桥非对称布置，跨径组合33+67+200=300m；主塔采用单柱式钢筋混凝土桥塔，塔高103.70m，塔梁固结。独塔斜拉桥整体布置如图1所示。

根据跨径不同，独塔斜拉桥在主跨和边跨采用了不同材料的主梁。其中，主跨采用闭口钢箱梁主梁断面，梁高3.5m，宽33m；边跨主梁采用混凝土箱形梁断面，外形与钢箱梁相同。独塔斜拉桥标准主梁断面如图2所示。

图1 独塔斜拉桥整体布置(单位：m)

(a)钢主梁断面

2 结构动力特性分析

结构动力特性分析是独塔斜拉桥颤振和涡振风洞试验研究的基础，节段模型的设计建立在结构动力特性分析基础之上。本文同时对独塔斜拉桥成桥和施工两种状态下的结构动力特性进行了分析，其中最大单悬臂状态为施工中的最不利情况(文中所指的施工状态均指最大悬臂状态)。采用离散结构的有限单元法建立独塔斜拉桥有限元模型，如图3所示。本文采用“鱼骨式”单主梁计算模型，其中闭口钢箱梁、混凝土箱梁、混凝土桥塔和桥墩采用空间梁单元Beam4模拟，主梁主要参数特性如表1所示；斜拉索采用经Ernst公式修正的空间索单元Link10模拟；主梁的二期恒载采用质量单元Mass21模拟。

经模态分析得独塔斜拉桥主梁在成桥和施工两种状态下的一阶模态如图4所示。从图4可以看出，大跨度独塔斜拉桥的刚度较小，成桥和施工状态的一阶竖弯频率仅为0.4766Hz和0.3660Hz，为典型的柔性结构。

(a)成桥状态

(b)施工状态图3 独塔斜拉桥有限元模型表1 独塔斜拉桥主梁断面参数

断面类型面积(m2)侧向转动惯量IZZ(m4)竖向转动惯量IYY(m4)扭转惯量Jd (m4)钢箱梁1.70132.7796120.305.63混凝土箱梁23.264535.38311598.7997.17

成桥竖弯 0.4766Hz 成桥扭转 1.0853Hz 成桥侧弯 1.6370Hz

施工竖弯 0.3660Hz 施工扭转 0.7767Hz 施工侧弯 0.5202Hz图4 独塔斜拉桥一阶模态

3 颤振风洞试验研究

颤振是大跨度桥梁容易发生的一种振动形式，属于自激发散振动，在设计中必须严格避免[3-4]。基于样条假设，采用二维节段模型风洞试验对独塔斜拉桥主梁颤振性能进行研究[5]。颤振风洞试验在同济大学TJ-2大气边界层风洞中进行，该风洞为一闭口回流式大气边界层风洞，试验段高2.5m，宽3m，长15m，风速范围1～68m/s连续可调。根据TJ-2大气边界层风洞试验段规模和风洞实验要求，设计1∶60的标准主梁节段模型，进行了成桥和施工两种状态，-3°、0°和3°三种风攻角度共6种工况下主梁的颤振风洞实验研究，主梁节段模型在TJ-2大气边界层风洞中的布置如图5所示。

图5 独塔斜拉桥节段模型

颤振风洞试验测试内容主要包括颤振临界风速、阻尼-风速曲线和颤振导数等，试验流场偏安全的取为均匀流场。其中阻尼-风速曲线、颤振导数主要用于后期结构抖振响应计算，此处不再给出。颤振临界风速是评估结构颤振性能最直接的参数，独塔斜拉桥主梁各工况下的颤振临界风速和检验风速的对比如表2所示。其中颤振检验风速根据规范[6]按照式(1)计算得到：

Vcr=1.2μfVd

(1)

式中，Vd为桥面高度设计基准风速，其中成桥状态按照100年重现期风速资料获得，为39.2m/s；施工状态按照10年重现期风速资料获得,为32.8m/s。μf为考虑风速的脉动影响及水平相关特性的无量纲修正系数，按桥梁跨度经内插得μf=1.27。

表2 独塔斜拉桥颤振检验风速

通过表2可以发现，独塔斜拉桥主梁由于采用了抗风性能较好的流线型断面，成桥和施工状态下的颤振临界风速均大于规范规定的检验值，符合设计要求。

4 涡振风洞试验研究

涡振是桥梁结构在低风速时经常遇到的一种振动形式，通常情况下由漩涡脱落频率与结构某阶频率相近时发生共振引起，是一种具有自激性质的限幅振动[3-4]。涡振虽然不会像颤振那样引起结构的毁灭性破坏，但是由于涡振通常发生在低风速时，容易引起结构疲劳破坏和造成行人、行车安全和舒适问题。对于大跨度桥梁，必须在设计阶段进行涡振性能检验。独塔斜拉桥的涡振风洞试验同样在同济大学TJ-2大气边界层风洞中进行，涡振试验节段模型几何缩尺比同样采用1∶60。试验测试内容主要包括观察涡激振动现象、确定涡振锁定风速区间和最大振幅。由于大气中的紊流成分会抑制涡振的发生，所以主梁涡振风洞实验在偏安全的均匀流场中进行。

独塔斜拉桥主梁节段模型涡振风洞试验进行了成桥和施工两种状态，-3°、0°和3°三种风攻角度共6种工况。独塔斜拉桥主梁在各工况下的涡振风速区间和振幅峰值如表3所示。

表3 独塔斜拉桥涡振风速区间及振幅峰值

通过表3可以发现，独塔斜拉桥在施工阶段无涡振现象发生；在成桥状态+3°风攻角时涡振响应最明显，其风速-振幅曲线如图6所示，相应的竖弯和扭转最大振幅分别为35.7mm和0.048°，但小于83.9mm和0.1273°的规范允许值，满足设计要求。其中涡振振幅允许值根据规范[6]按照式(2)～(3)给出：

[θα]=4.56/Bft

(2)

[hα]=0.04/fb

(3)

式中，[θα]、[hα]分别为主梁涡振扭转和竖弯振幅允许值；B为主梁宽度，为33m；ft、fb分别为扭转和竖弯振动频率，成桥状态时分别为1.0853Hz和0.4766Hz；施工状态时分别为0.7767Hz和0.3660Hz。

图6 独塔斜拉桥主梁成桥状态3°风攻角时的风速-振幅曲线

5 结论

本文以主跨200 m的八尺门大桥为工程背景，对非对称布置单索面大跨度独塔斜拉桥的风致稳定性能进行了风洞试验研究。结构动力特性分析表明，大跨度独塔斜拉桥的刚度较小，为典型的柔性斜拉桥，其抗风稳定性必须在设计中加以考虑；节段模型风洞试验表明，由于主梁采用了气动性能较好的流线型断面，其颤振和涡振稳定性均满足规范要求。