钝体截面铁路混合梁斜拉桥涡振性能研究

李 浩

(中国铁路广州局集团有限公司，广东 广州 510088)

近年来，我国铁路建设快速发展，推动了铁路桥梁技术的进步，特别是首座混合梁铁路斜拉桥——甬江特大桥[1-2]在铁路上成功应用后，钢-混凝土组合梁斜拉桥在大跨度铁路桥梁上得到迅速推广[3-4]。由于混合梁铁路斜拉桥的跨度大、桥面窄，结构的抗风性能有时成为设计的关键，特别是钝体截面加劲梁，气流经过结构时会产生分离形成周期性旋转脱落，涡振问题更为突出。

自1940年美国Tacoma大桥发生风振毁坏后，大跨度桥梁抗风性能的研究受到各国学者的重视，我国学者也作出了卓越贡献。项海帆等[5]对现代桥梁的抗风问题进行了系统详细的论述；葛耀君等[6]率先将结构强健性的理念引入桥梁抗风设计与颤振评价中；李永乐等[7]采用计算流体动力学(CFD)数值模拟分析了某超大跨度悬索桥扁平单箱主梁气动特性；陈政清等[8]基于理论分析和风洞试验研究了舟山西堠门大桥长细吊索的风振问题并提出双吊杆的分离器减振方案；陈海兴等[9]对某跨海大桥采用比例节段模型进行风洞试验研究了涡激振动性能及抑制风振的措施；汪家继等[10]对大跨度桥梁箱梁的三分力系数进行CFD计算，结果与加拿大国家研究中心(NRCC)的节段模型试验以及昂船洲大桥的节段模型试验吻合良好。在现有文献中，未见针对钝体截面的铁路混合梁斜拉桥涡振性能的研究。

南沙港铁路龙穴南特大桥主桥因施工图变更设计[11]导致工期紧迫，故采用了基于快速施工栓焊结合的矩形截面混合梁斜拉桥，并且桥址位于近海强风区，遭受台风频次高，对风致动力效应十分敏感，加上加劲梁为钝体截面，涡振控制成为结构设计的技术难题。本文通过节段模型风洞试验开展南沙港铁路龙穴南特大桥主桥的涡振性能研究，为工程设计提供理论指导。

1 工程概况

南沙港铁路位于珠江三角洲中部地区，作为首条进入广州南沙自贸区境内的货运铁路，是粤港澳大湾区交通发展的重要项目之一。南沙港铁路全长87.788 km，有砟轨道，双线客货共线铁路，ZKH活载，线间距为4.0 m，设计速度120 km/h。

龙穴南特大桥主桥是南沙港铁路跨越龙穴南水道的控制性工程，位于枕箱水道与龙穴南水道分流口下游约1.0 km，河面宽约850 m，航道繁忙。龙穴南特大桥主桥的纵立面以跨中为对称点设置3‰的“人”字坡，平面位于直线上。该桥原设计为(130+260+130)m的钢桁梁柔性拱桥，根据龙穴南水道的航道规划及泄洪要求，桥下净高不小于24 m，净宽不小于412 m，变更设计为(60+60+70+448+70+60+60)m混合梁斜拉桥[11]。

小里程和大里程边跨各138 m采用预应力混凝土梁，钢-混结合段长7 m，两处钢-混结合段之间540 m采用钢箱梁。斜拉索采用平行双索面扇形布置，共72对斜拉索，索面间距14.5 m，塔上索间距为2～8 m，梁上标准索间距12 m，边跨加密至8 m。采用H形钢筋混凝土桥塔，塔高155 m，主桥立面见图1。

针对工期紧迫的实际情况，变更设计中钢箱梁采用快速施工的栓焊结合悬臂拼装。为了适应栓焊结合拼装工艺，并且优化结构受力，钢箱梁采用外置风嘴矩形截面，由顶板、底板、4道纵腹板、风嘴组成，梁中心高4.5 m，桥面宽16.88 m，梁总宽20 m(含风嘴)。预应力混凝土箱梁采用外置风嘴的单箱单室截面，外轮廓与钢箱梁相同，风嘴采用PPS塑料板，通过预埋件与混凝土梁相连，主梁横截面见图2。

图1 立面布置 (单位：cm)

图2 主梁横截面 (单位：cm)

桥址区属于季风气候区，台风集中在7—9月，设计基本风速35.4 m/s，地表类别为B类场地幂指数为0.16、边界层厚度350 m。桥面距离水面36.5 m，桥面处设计基准风速Vd为43.5 m/s。

2 涡振风洞试验模型设计

为了检验结构涡激共振性能，对主梁节段模型进行风洞试验研究，几何缩尺比为1∶40。试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室TJ-1边界层风洞中进行，测振试验采用弹簧悬挂二元刚体节段模型，节段模型通过8根弹簧悬挂在洞内支架上。根据模型设计的相似性，模型试验主要参数见表1，风洞试验模型见图3。

表1 风洞试验模型参数

图3 风洞试验模型

3 涡振风洞试验

根据JTG/T 3360-01—2018《公路桥梁抗风设计规范》[12]规定，成桥状态和施工阶段主梁竖弯和扭转涡激共振振幅限值分别为：

成桥状态竖弯涡激共振振幅限值：0.098 m。

成桥状态扭转涡激共振振幅限值：0.228°。

涡振采用风洞试验进行研究，分为原设计的涡振风洞试验和增加气动措施后的涡振风洞试验。

3.1 钢箱梁截面的涡振风洞试验

采用节段模型测试了成桥状态主梁涡振性能，试验发现在成桥状态±5°、±3°和0°均会发生大幅竖弯涡振和扭转涡振。原始断面涡振试验的结果见图4，由图4可知，竖弯涡振发生在低风速区16 m/s附近，发生概率高，最大振幅0.143 m，最大振幅已超出竖弯涡振振幅的规定，对桥梁的正常使用影响较大；扭转涡振虽然发生在高风速区47.5 m/s附近，最大振幅0.291°，对桥梁的正常使用影响较弱，但较大扭转涡振振幅仍会对桥梁疲劳寿命造成不利影响。因此，钢箱梁成桥状态涡激共振性能不满足要求，需要采取气动措施加以控制。

图4 原设计成桥状态涡振位移幅值-风速曲线

3.2 截面的气动措施

为了将涡振控制在允许范围内，研究了改变风嘴角度方案、下1/4稳定板+抑流板栏杆方案。

(1)气动措施一：改变风嘴角度方案

原设计风嘴角度105°，风嘴角度调为58°，见图5。采用58°风嘴方案在±5°、±3°和0°风攻角均未观察到明显的竖弯和扭转涡振现象，最大竖弯振幅0.014 7 m，最大扭转振幅0.022 8°，均未超过规范限值，振幅-风速曲线，见图6。

图5 气动措施一设计及模型

图6 气动措施一涡振位移幅值-风速曲线

(2)气动措施二：下1/4稳定板+15°抑流板方案

在主梁模型下表面1/4位置处各设置高为15 mm(换算到实桥600 mm)的下稳定板，能有效抑制负攻角下的涡振，但在正攻角下的涡振抑制效果并不明显，辅以抑流板栏杆来抑制正攻角下的涡振，见图7。该方案在-5°、-3°和0°风攻角均观察到较为明显的竖弯涡振现象，最大竖弯涡振振幅0.091 m，最大扭转涡振振幅0.144°，均未超过规范限值，见图8。

图7 气动措施二设计

图8 气动措施二位移幅值-风速曲线

(3)最终气动措施

风嘴角度调整为58°，实桥的风嘴需要宽3.8 m，结构上实现困难，最终采用下1/4稳定板+15°抑流板的方案，实桥上抑流板宽度减为500 mm，仰角15°，且将下1/4稳定板与检修轨道合并，总高度600 mm，见图9。

图9 最终方案设计图及模型

4 结论

本文以新建南沙港铁路龙穴南特大桥主桥为工程背景，研究了钝体矩形截面大跨度混合梁斜拉桥的涡振，提出了气动措施，得到如下结论：

(1)钝体矩形截面大跨度混合梁斜拉桥可能发生大幅度竖弯涡振和扭转涡振，龙穴南特大桥的竖弯涡振发生在低风速区16 m/s附近，发生频次高，振幅大，对桥梁的正常使用影响较大；扭转涡振发生在高风速区48 m/s附近，发生频次低，但较大扭转涡振振幅对桥梁疲劳寿命造成不利影响。因此，原设计需要采取气动措施控制涡振。

(2)风嘴角度调为58°的气动措施能有效地控制涡振，但是结构上实现困难；下1/4稳定板+15°抑流板的方案，风洞试验里竖弯涡振振幅和扭转涡振振幅均满足允许要求，并且结构上容易实现。因此，施工图采取下1/4稳定板+15°抑流板的方案。