杭宁高速分离式立交桥钢箱梁涡激振动特性风洞试验研究——以德清县长虹街东延工程为例

俞学文

(浙江中荣建设有限公司，浙江 德清 313200)

0 引言

钢箱梁是跨径较大的桥梁在建设时所采用的一种结构形式，其外观形状接近箱子的形状，因此也被称为“钢板箱形梁”[1]。钢箱梁由顶板、腹板、底板等多个部分组成，各个部分之间通过全焊接的方式完成。涡激振动是一种产生在低风速下的振动现象，常发生在桥梁跨度较大的情况下[2]。由于涡激振动在大跨度桥梁中发生频率较高，虽然不会造成桥梁的直接损坏，但是会使桥梁结构产生疲劳，对桥梁施工期的安全性、使用期的舒适性均会造成一定影响[3]。因此，涡激振动是跨度较大的桥梁在设计时首要考虑的问题。

风洞实验是一种模拟实验，通过人为产生气流，并使气流通过物体来模拟物体在风速下的各种状态，获取所需的试验数据[4]。为研究钢箱梁涡激振动特性，周旭辉等人和高云等人分别基于改进尾流振子模型和有限差分法对涡激振动特性展开研究，获取均匀流和剪切流、不同质量和不同阻尼比情况下的涡激振动特性，为有效控制涡激振动提供一定参考依据[5-6]。本文为了详细研究钢箱梁涡激振动特性，以德清县长虹街东延工程为例，通过风洞试验的方式，研究杭宁高速分离式立交桥钢箱梁涡激振动特性。

1 工程背景和实验方法

1.1 工程背景和概况

1.1.1 德清县长虹街东延工程背景

德清县长虹街东延工程全长1 870 m，东西两端方向分别连接长虹街和杭宁高速，主要内容包含杭宁高速分离式立交桥、一号桥、道路、排水等单位工程。杭宁高速分离式立交桥主桥主墩、交接墩均采用桩接承台柱式墩，桩基础和桩基均采用钻孔灌注桩，两者的直径分别为180 cm和150 cm。引桥桥台型式、桥墩型式分别为桩基接盖梁和桩接承台柱式墩，两者桩基的直径分别为120 cm和150 cm，均为钻孔灌注桩[7-8]。1号桥分为上下两个部分，两部分的结构被分为混凝土简支预制空心板和重力式桥台，前者的尺寸为1 m×20 m，后者为钻孔灌注桩，其直径为100 cm。将钢筋砼管用于排水工程中雨水管和污水管，管径分别为D300～D1500和D400、D500[9-10]。道路建设主要以沥青混凝土、水稳、塘渣铺建而成。排水检查井壁以砖为主，结合M10水泥砂浆砌筑完成。工程的起止时间分别为2016年7月15日和2018年9月26日。

1.1.2 杭宁高速分离式立交桥概况

本文研究对象是杭宁高速分离立交桥，位于德清县武康镇长虹街与杭宁高速交叉处，上跨现杭宁高速，全桥桥梁总长为414.4 m，桥宽28 m，地面高程3.9 m左右，分为主桥和引桥。主桥为(45+80+45) m钢挂梁；通过现浇钢箱梁方式构建桥梁东西两侧引桥，东侧引桥采用(32+3×30) m等截面现浇箱梁，西侧引桥采用4 m×30 m等截面现浇箱梁。钢箱梁部署结构如图1所示。

图1 钢箱梁的部署结构

1.2 涡激振动特性分析

1.2.1 分析模型

采用空间MIDAS/Gen有限元程序仿真杭宁高速分离式立交桥的涡激振动特性，导梁及钢梁结构采用梁单元，销接结构简化为铰接，其余简化为刚接[11-12]。其横截面仿真结构如图2所示。

图2 钢箱梁横截面结构图

刚度会受到应力和重力的影响，且前者对应斜拉索，为准确描述该影响，采用Ernst等效弹性模量完成；同时完成研究目标的有限元模型边界条件设定。将单主梁模型作为计算模型，采用离散的方式，形成各自的三维单元，其须以实际研究目标为参考[13]；振幅最大上限值为(0.8×102) mm；应力计算时，模拟顶推重量约为800 t(恒荷载)，导梁重量20 t(恒荷载)；活荷载为根据滑移方案和顶推器的布置情况，考虑顶推器产生的水平力，钢箱梁与支座计算时取0.1的摩擦系数，应力计算时取恒荷载和活荷载的组合结果。

1.2.2 涡激振动试验

选择XNJD-3风洞作为试验场所，按照几何缩尺比1:45制作全桥气弹风洞试验模型。试验在均匀流场中完成。立交桥模型按照一定比例缩小，根据相似程度标准，动力阶段模型和实际立交桥之间须保证具备3组相同的无量纲参数，分别为弹性、惯性和阻尼，依次用U/fhB和U/fαB、m/ρB2和Im/ρB4、ξh和ξα[14]。其中，宽度、密度分别用B、ρ表示，前者对应桥面，后者对应空气；风速用U表示；质量和质量惯矩分别用m和Im表示，且前者对应单位长度；频率用fh和fα表示，前者对应竖向，后者对应扭转；ξh、ξα均表示阻尼比，两者的下角标均表示运动，前者对应竖向，后者对应扭转。模型的详细试验参数如表1所示。

表1 模型试验参数详情

试验在3种工况下完成，各个工况的详情如表2所示；钢箱梁滑动的结构描述(见图3)。其中，计算规范参考《钢结构设计规范 GB50017-2003》《重型结构和设备整体提升技术规范 GB51162-2016》以及工程施工图。

表2 工况的详细情况

图3 工况示意图

本文采用极限状态方法完成设计。极限状态是指当整个立交桥结构中的某部分超过一定状态，则无法达到设计规定的某项功能标准，将此时该结构的功能状态称为该部分的极限状态。在设计过程中，将标准值和分项系数的乘积得出的载荷作为标准载荷，施加至立交桥结构中获取结构的范例和结构强度结果[15]。工况示意图如图3所示。

2 结果分析

2.1 涡激振动结果分析

2.1.1 不同攻角下涡激振动分析

均匀流场中，选择不同的模型攻角参数进行竖向涡激振动和扭转涡激振动的测试，分别为0°、±4°和±6°，钢箱梁涡激振动相应结果如图4所示。

依据测试结果可以看出(见图4)，在5种不同的攻角角度下，钢箱梁的竖向涡激振动的振幅，随着风速的增加，发生不同程度的波动变化。在风速逐渐增加的情况下，攻角为0°、-4°和-6°时，振幅波动较为平缓，没有较大幅度的变化；在风速逐渐增加的情况下，攻角为4°和6°时，振幅变化明显，波动较大，总体来说处于上升趋势，当风速在18～27 m/s时，会产生涡振区，但是均在允许的振幅范围内。扭转涡激振动在5种不同的攻角角度下的振幅波动变化结果与竖向涡激振动的变化波动基本一致，在风速逐渐增加的情况下，攻角为4°和6°时，振幅变化较为明显，当风速在31～40 m/s时，同样会产生涡振区。

2.1.2 三种工况下涡激振动分析

3种工况在不同风向类别下，随着风速的增加，钢箱梁发生涡激振动振幅的变化结果如表3所示。

表3 钢箱梁发生涡激振动振幅的变化结果

依据测试结果可知(见表3)：3种工况分别在不同风向下的振幅的峰值约在风速20～30 m/s，此时会产生涡振区，并且整体趋势均呈现先上升后下降的趋势，其中工况1在上测风和下测风2种风向下，振幅峰值均低于其他2个工况的峰值；工况3在2种风向下的发生的振幅峰值最高，但是振幅的峰值均没有超过最大上限。因此，钢箱梁在风速超过20 m/s以后，会产生涡激振动并且振幅明显，风速达到40 m/s以后，振幅下降。

2.2 应力结果分析

3种工况的应力分析结果如图5、图6和图7所示。其中，每个工况的分析结果中均呈现导梁结构、支撑结构、DXYZ、DZ四个方面的应力分布结果。

依据测试结果可知(见图5、图6和图7)：工况1的钢箱梁位于导梁位置时，产生的最大应力值在最大应力上限值范围内，为0.25；当其滑动至支撑结构位置时，产生的应力也均在最大应力上限值范围内，满足规范标准；并且工况1产生的最大竖向变形为12 mm，其和跨度比值为1/1 917，满足规范标准。其他2种工况下，产生的最大应力值在最大应力上限值范围内，为0.14和0.13，2种工况发生的最大竖向变形的分析结果分别为-7 mm和-7.2 mm，其和支承跨度比值分别为1/3 400和1/3 305，满足规范标准。

3 结语

为了分析钢箱梁的涡激振动特性，本文以德清县长虹街东延工程的杭宁高速分离式立交桥为例，采用风洞试验对其钢箱梁的涡激振动特性展开试验，并通过有限元模型计算钢箱梁滑动至不同位置时的应力情况。经试验和计算结果得出，该工程的立交桥钢箱梁在不同的攻角下发生的涡激振动振幅存在差异，但是均符合标准的振幅范围，在不同的风速范围内会产生涡振区。并且在不同风向下，涡激振动振幅范围依据满足标准振幅范围。除此之外，钢箱梁处于不同位置时，产生的应力值均符合规范标准。