施工态下塔吊对钢桥塔涡激振动影响的风洞试验

苏 洋，李 鹏，胡 朋，林 伟

(1.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074；2.中交第二公路工程局， 陕西 西安 710065；3.长沙理工大学 土木工程学院，湖南 长沙 410114)

0 引言

涡激共振是大跨度桥梁在低风速情况下非常容易发生的一种风致振动现象。涡激振动是一种带有自激性质的振动，振动的结构反过来又会对涡流形成某种反馈作用，使得涡激共振的振幅受到限制，因此，通常称涡激共振是一种带有自激性质的风致限幅振动[1]。尽管涡激振动不像颤振、驰振那样会发散从而导致结构发生毁灭性的振动破坏，但由于是低风速下经常容易发生的振动，且振动幅之大足以影响行车安全和舒适性能，因而在施工或者成桥阶段避免涡激共振或限制其振幅在可接受的范围之内具有十分重要的意义[2]。

对于钢桥塔而言，一方面，相对于混凝土桥塔，钢桥塔具有质量轻，阻尼小，结构相对柔性等特点，在常见的风速下也更容易产生较大的振幅，严重影响结构质量及施工人员的舒适性，甚至危及结构安全。另一方面，高耸的钢桥塔由于其截面为典型的钝体断面，相对于流线型断面极易发生风致振动现象，所以有必要对钢桥塔的风致振动进行研究。已有桥塔的风振响应研究大多是针对于裸塔状态进行研究分析的[3-14]，而针对施工过程中桥塔及塔吊组合体系情况下的风振响应的研究并不多见。Takeuchi[15]针对自由竖立的钢桥塔容易出现涡激振动的特点，采用风洞试验的方法考查了钢桥塔的气动特性和涡激振动的发生机制，并结合前人研究成果与风洞试验成果，研究了串联双柱式桥塔的气动稳定性，通过合理布置双肢塔柱的突出附属物、塔柱截面的切角数量以及两塔柱的间距比等参数来改善桥塔的气动特性。Larose等[16]针对376 m高的H形钢桥塔首先进行了两阶段的节段模型试验来选取相对较优的截面选型，再通过缩尺比1/250的气动弹性模型试验进一步优化了截面，并指出涡激振动是H形桥塔主要的气弹现象，通过在H形塔柱双肢增加透风屏障可以有效地减小旋涡脱落现象，从而显著减小钢桥塔的涡激共振的振幅。在针对裸塔涡振控制的研究中，葛耀君等[17]以位处于东南沿海的某大跨度悬索桥为工程背景，研究了缆索承重桥梁桥塔自立状态下的涡激共振及其振动控制措施。朱乐东等[18]以杭州之江大桥为工程实例研究了钢桥塔涡振气动控制措施。以上研究均是仅针对裸塔状态，而施工过程中的桥塔和塔吊组合体系的风致振动响应相对于裸塔的风振响应而言会有一定的差异，所以有必要将裸塔状态及桥塔和塔吊组合状态下的风振响应进行对比分析。

为研究施工状态下，塔吊对钢桥塔风致振动的影响，本研究以某跨江大桥钢桥塔和塔吊组合体系为工程背景，考查了裸塔状态下和桥塔与塔吊组合体系下各自的风致响应，对比分析了塔吊对桥塔涡激振动的影响。研究结论可为大桥钢桥塔的风致施工安全提供一定的参考。

1 气动弹性模型风洞试验设置

气动弹性模型风洞试验能较为真实地模拟结构的动力特性，也能较为准确地反映结构与空气间的相互作用，其主要用于测量结构的气动弹性响应。通过均匀流场中的气动弹性模型试验，考查桥塔结构发生涡激振动、驰振的可能性。桥塔塔吊组合体系气动弹性模型试验在湖南科技大学风洞实验室中进行，该试验段宽度为4.0 m，高度为3.0 m，长度为17.0 m，风速范围为0～35.0 m/s。实验室配备直径3 m的360°连续可调转盘，可满足试验过程中不同风偏角的试验要求。

1.1 测点布置

根据该桥塔的特点，气动弹性模型试验中选择塔顶及65%塔高处作为动态响应测量的控制断面，测定桥塔顺桥向和横桥向位移响应。另外在塔吊顶水平起重臂的前端、支撑处及后端增设3个动态位移测试点，如图1所示。

图1 桥塔及塔吊测点布置图Fig.1 Layout of measuring points on bridge pylon and tower crane

1.2 测试仪器

动态位移测试采用英国IMETRUM非接触式应变位移视频测量仪，该仪器利用其创新性的专有亚像素图像识别算法，在测量应变、旋转以及位移方面具有超高的分辨率，可较方便地实现多点动态实时同步测量，分析精度在1/1 000个像素内。风速测试仪器为澳大利亚某公司眼镜蛇风速测量系统，试验过程中眼镜蛇风速仪安装在桥塔65%高度处。

2 裸塔状态气动弹性模型试验

2.1 气动弹性模型频率

通过对已有试验和相关文献调研表明，高耸的钢桥塔由于其截面为典型的钝体断面，极易发生涡激振动现象。在进行桥塔塔吊组合体系气弹模型风洞试验之前，应首先对裸塔气动弹性模型进行研究。考查桥塔自立状态下的气动性能，并测试可能的涡激振动的发振风速范围、振动幅度。更进一步的对比裸塔气弹模型与后续桥塔塔吊组合体系风洞试验的结果，由此可分析出塔吊的安装对桥塔气动性能的影响。裸塔气弹模型一阶顺桥向振动频率为2.23 Hz，一阶横桥向振动频率为2.71 Hz，两者与目标值误差均在3%以内。经测试，裸塔气弹模型结构阻尼为0.15%。试验时模型的缩尺比为1∶75，风速比为1∶7.5。

2.2 不同风向角下裸塔的风振响应

对于均匀流场中的风洞试验，考虑到来流方向的不确定性，除了来流风向角β=0°(即来流方向与桥轴线垂直)外，根据桥塔结构外形的对称特性，进行了风向角β=15°，30°，60°，90°(其中角度以模型俯览时逆时针转动为正方向)时的试验。在每一种来流风向角工况下，考虑到试验风速比较小(1∶7.5)，试验过程中为了捕获桥塔可能存在的涡激振动风速区间，试验风速从1.5 m/s开始，每0.25 m/s(相当于实桥风速为1.9 m/s)为一级试验风速逐级增加，直至约8 m/s(相当于实桥约60 m/s)，远高于施工状态设计风速34.9 m/s。

图2为均匀流中裸塔状态0°风向角试验布置图。图3～图7分别给出了不同风向角下裸塔塔顶及65%塔高处的顺桥向及横桥向风致响应均方差。其中，均匀流中的0°风向角裸塔气动弹性模型试验结果如图3所示，由图可知，裸塔气弹模型在0°风向角下出现明显的大幅顺桥向涡激共振现象，最大实桥振动响应均方差达到1.28 m，涡振风速区间出现在12～32 m/s范围内。随着风速增长，当风速达到47 m/s 后，裸塔气弹模型发生大幅发散性驰振现象。随着风向角的增加，桥塔风致振动响应显著降低，没有发生明显的涡激振动和驰振现象。

图2 裸塔状态试验布置图(0°风向角)Fig.2 Layout of bare pylon test(0° wind angle)

以上试验表明，裸塔状态在常遇风速下会出现涡激振动现象，且在高风速下会出现较危险的发散性驰振现象，在对裸塔进行施工时应特别注意。

3 桥塔塔吊组合体系均匀流场气动弹性模型试验

在裸塔施工时，施工方给出了在桥塔附近采用塔吊的方式进行施工。为考查施工时塔吊的存在对裸塔风致振动的影响。为此，针对桥塔塔吊组合体系进行了气弹模型风洞试验研究。鉴于安装塔吊后组合结构为单向对称结构，因此试验过程中分别进行了0°，±15°，±30°，±60°，±90°风向角的测试试验，试验过程中组合结构阻尼为0.22%，试验在均匀流中进行。

图3 裸塔状态下风振响应均方差(0°风向角)Fig.3 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(0° wind angle)

图4 裸塔状态风振响应均方差(15°风向角)Fig.4 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(15° wind direction angle)

图5 裸塔状态风振响应均方差(30°风向角)Fig.5 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(30° wind direction angle)

图6 裸塔状态风振响应均方差(60°风向角)Fig.6 Mean square error of wind-induced response of bare pylon(60° wind direction angle)

图7 裸塔状态风振响应均方差(90°风向角)Fig.7 Mean square error of wind-induced response for bare pylon(90° wind angle)

图8 桥塔及塔吊组合状态试验布置(0°风向角)Fig.8 Layout of test on combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

其中典型的均匀流中桥塔塔吊组合状态0°风向角试验布置如图8所示，图9给出了均匀流中桥塔塔吊组合状态0°风向角下顺桥向、横桥向和扭转的风振响应均方差。由图可知，桥塔塔吊组合体系状态在均匀流场中的风振响应相比裸塔状态显著减小，并且未发生涡激振动和驰振现象。针对在±15°，±30°，±60°，±90°风向角下，桥塔和塔吊组合体系下的响应也远比裸塔状态要小，且未发生涡激振动和驰振现象。以上结果表明，施工时塔吊的存在能抑制桥塔的涡激振动和驰振现象，这在一定程度上降低了桥塔施工的风险。另一方面，也反映了今后在考虑施工态下桥塔的施工安全时，不仅应考查裸塔状态桥塔的涡振响应，还应考查桥塔和塔吊组合体系下的涡振响应。

图9 桥塔及塔吊组合状态风振响应均方差(0°风向角)Fig.9 Mean square error of wind-induced response of combination of bridge pylon and tower crane(0° wind angle)

针对上述塔吊的存在能抑制桥塔涡激振动现象，分析原因认为：由于塔吊是桁架结构体系，它的存在会对桥塔尾部规则的旋涡脱落产生干扰，从而使塔吊结构起到了抑制桥塔涡振和驰振的有利作用，并最终提高了桥塔和塔吊组合体系的气动稳定性能。总之，在上述因素的综合作用下，当塔吊存在时，桥塔的风致振动响应大大降低，表明塔吊的存在有利于提高桥塔的施工安全。

4 结论

本研究以某跨江大桥钢桥塔和塔吊组合体系为工程背景，考查了裸塔状态下和桥塔塔吊组合体系下各自的风致响应，主要结论如下：

(1)裸塔气弹模型在0°风向角下出现较为明显的大幅顺桥向涡激共振现象，随着风速增长，当风速达到47 m/s后，裸塔气弹模型发生大幅发散性驰振现象。随着风向角的增加，桥塔风致振动响应显著降低，没有发生明显的涡激振动和驰振现象。

(2)在所有试验风向角工况下，桥塔塔吊组合体系状态在均匀流场中的风振响应相比裸塔状态显著减小，并且未发生涡激振动和驰振现象，表明塔吊的存在会抑制桥塔的风振响应。

(3)今后在考虑施工态下桥塔的施工安全时，不仅应考查裸塔状态桥塔的涡激响应，还应考查桥塔和塔吊组合体系下的涡激响应。