三塔双跨叠合梁斜拉桥抗风性能研究

胡 涛

（中铁大桥勘测设计院集团有限公司，湖北 武汉 430056）

0 引言

随着我国经济水平的提高和桥梁建造技术的进步，大跨桥梁不断涌现，如瓯江北口大桥、泰州长江公路大桥等大跨悬索桥[1，2]，苏通大桥、上海长江大桥和岳阳洞庭湖大桥等大跨斜拉桥[3-5]。随着跨度不断加大，桥梁结构越来越柔，对风的作用越来越敏感，如美国旧塔科马大桥颤振风毁事故[6]、日本东京湾大桥大振幅涡激振动现象[7]，所以进行大跨度桥梁设计时，需重点关注其抗风性能。

由于斜拉桥具有跨度大、造型优美、施工方便等优点，在桥梁设计中被广泛应用。与混凝土梁相比，叠合梁具有自重较轻、吊装方便的优点。另外，叠合梁能较好地利用混凝土材料的抗压能力，具有良好的受力性能，可提升桥塔附近加劲梁抗压性能。但是，由于叠合梁断面为典型的半开口钝体，抗扭刚度较低，对流场作用敏感，易出现气动不稳定现象，所以在设计叠合梁斜拉桥时，风致振动的控制应成为关键性问题。

胡峰强等[8]对独塔流线箱形主梁斜拉桥的抗风性能进行了研究，风洞试验结果表明，该主梁断面桥型具有良好的抗风性能。罗兵[9]研究了独塔斜拉桥在不同桥塔方案下桥塔驰振和涡激振动性能。段青松等[10]研究了人行道栏杆对双塔单跨叠合梁斜拉桥涡激振动性能的影响。战庆亮等[11]研究了风嘴、下稳定板和挑梁等气动措施对双塔和独塔叠合梁斜拉桥抗风性能的影响。但是，目前少有文献对三塔双跨叠合梁斜拉桥抗风性能进行研究。本文以某在建三塔双跨钢混叠合梁斜拉桥为研究背景，通过数值模拟计算和节段模型风洞试验研究了其颤振稳定性和涡激振动性能，研究结果可为设计三塔双跨叠合梁斜拉桥提供参考。

1 工程概况与桥址区风特性

该三塔双跨钢混叠合梁斜拉桥跨径布置为45 m+120 m+2×400 m+120 m+45 m，两侧分别设置一个辅助墩和过渡墩，整体布置如图1所示。3号塔高约160 m，4号塔和5号塔高约180 m。主梁宽32 m，高3.0 m，其中边跨51 m范围内为混凝土梁，其余梁段为工字钢混凝土叠合梁，主梁横截面如图2所示。

图1 桥梁整体布置图（单位：m）

图2 主梁横截面（单位：cm）

桥梁工程区位于低层建筑稀少地区，海拔高度为340.8 m，地表类型取为B类[12]，地表粗糙度取0.16，100 a重现期10 min年平均最大风速U10=24.3 m/s。主梁基准高度均值d=65.85 m，风速沿高度变化修正系数K1B=1.0×（d/10）0.16=1.352，故主梁高程处设计基准风速Ud=K1B×U10=32.7 m/s。

主梁颤振检验风速[Ucr]=1.2×μf×Ud，其中，μf为考虑风的脉动特性以及空间相关特性影响的修正系数，根据该桥跨度和地表粗糙度类别取为1.29，故成桥状态主梁颤振检验风速[Ucr]=1.2×μf×Ud=50.6 m/s。对于施工阶段，取重现期为10 a，相应的风速折减系数为0.84[3]。该桥各阶段风速标准见表1。

表1 风速标准 m/s

2 桥梁动力特性计算

桥梁动力特性主要关注结构的整体行为，为提高计算效率，本研究对实际模型进行了适当简化，采用单主梁形式的有限元模型。其中，主梁、桥塔和桥墩均采用梁单元BEAM4模拟，斜拉索用杆单元LINK8模拟，二期荷载质量用质量点单元MASS21模拟，主梁和斜拉索之间采用刚臂连接。

本文对该桥成桥状态和施工过程中最大双悬臂施工状态两种工况进行了动力特性计算，其中最大双悬臂施工状态为以4号塔处为起点向两侧对称悬臂拼装至合拢处。桥梁动力特性见表2。

表2 动力特性

3 节段模型风洞试验

节段模型风洞试验在西南交通大学XNJD-1工业风洞第二试验段中进行，该试验段设有测试节段模型风致振动的试验装置。桥梁节段模型缩尺比为1∶45，按几何缩尺比严格模拟主梁的几何外形，并在模型两端设置端板，以保证加主梁断面气动绕流的二维特性。制作完成的模型由8根拉伸弹簧悬挂在支架上，形成可竖向运动和绕模型轴线转动的二自由度振动系统。图3为成桥状态和最大双悬臂施工状态模型安装示意图。

图3 风洞试验节段模型

3.1 颤振稳定性试验

风洞试验测试了在 -5°、-3°、0°、+3°和+5°风攻角下的颤振稳定性。试验结果表明，在成桥状态对应实桥风速为72.42～87.29 m/s和最大双悬臂施工状态对应实桥风速为66.48～83.00 m/s时（见表3和表4），主梁均未发生颤振发散现象，此时风速已经高于颤振检验风速较多，可知桥梁结构具有良好的颤振稳定性。

3.2 涡激振动试验

根据文献[12]，涡激振动竖向振幅允许值为：

表3 成桥状态颤振风速检验

表4 最大双悬臂施工状态颤振风速检验

扭转振幅允许值为：

涡激振动振幅允许值见表5。

表5 涡激振动振幅允许值

涡激振动试验进行了在-5°、-3°、0°、+3°和+5°风攻角下主梁的涡激振动响应，试验在均匀流场中进行，试验风速对应实桥风速0～40 m/s，控制风速步长对应实桥风速0.12～0.60 m/s。图4和图5给出了成桥状态和最大双悬臂施工状态下主梁断面在不同风攻角下涡激振动竖向振幅与扭转振幅，其中振幅简化为相对于规范允许值的无量纲参数。

图4 成桥状态主梁涡激振动响应

图5 最大双悬臂施工状态主梁涡激振动响应

涡激振动试验结果表明，成桥状态出现了较为明显的涡激振动现象，其中，当风速小于28 m/s时，竖向振幅和扭转振幅未超过规范允许值，当风速为28～34 m/s时，+5°和+3°风攻角下竖向幅值的最大值超过了规范允许值约50%，-5°和-3°风攻角下扭转幅值的最大值超过了规范允许值约50%，但成桥状态设计基准风速为32.7 m/s，重现期为100 a，大桥的设计基准期也为100 a，二者一致，其保证概率为99%，即在设计基准期内，风速不超过设计基准风速的概率为99%，超过设计基准风速的概率为1%[12]，故风速达到28～34 m/s的概率也较低，不会对桥梁安全和使用性能造成明显影响。去掉了人行道栏杆、防撞栏和铺装等附属设施和二期荷载后，最大双悬臂施工状态的涡激振动幅值远低于规范允许值，具有良好的涡激振动性能。总体来说，该三塔双跨叠合梁斜拉桥具有较好的涡激振动性能。

4 结论

（1）该三塔叠合梁斜拉桥成桥状态设计基准风速为32.7 m/s，颤振检验风速为50.6 m/s，施工状态设计基准风速为27.5 m/s，颤振检验风速为42.5 m/s。

（2）成桥状态竖弯基频为0.213 4 Hz，扭转基频为0.802 9 Hz。最大双悬臂施工状态竖弯基频为0.163 5 Hz，扭转基频为 0.904 5 Hz。

（3）风洞试验结果表明，该三塔双跨叠合梁斜拉桥成桥状态和最大双悬臂施工状态结构不同风攻角下的颤振临界风速均远大于相应的颤振检验风速，表明结构具有良好的颤振稳定性。

（4）风洞试验结果表明，成桥状态时，该三塔叠合梁斜拉桥会出现涡激振动现象，有相应的涡激振动区，低风速涡激振动区的涡激振动幅值未超过规范允许值，高风速涡激振动区最大涡激振动幅值超过规范允许值约50%，但其发生概率很低，不会对桥梁安全和使用性能造成显著影响，但应引起重视。最大双悬臂施工状态时，涡激振动响应远低于规范允许值，具有良好的涡激振动性能。