山区钢箱梁悬索桥抗风性能研究★

徐 茂，裴 城

(1．苏交科集团股份有限公司，江苏 南京 210019; 2．西南交通大学，四川 成都 610000)

不同于平原地区，山区峡谷地区风环境复杂，受地形影响较大，山区风参数的确定也不能按照平原和跨海大桥一样按规范直接计算。另一方面，大跨悬索桥由于跨度大、阻尼低、刚度小，是风致振动的敏感结构，在强风的作用下，容易出现颤振现象，在常见风速下容易出现较大振幅的涡激振动，因此抗风性能成为悬索桥设计和建造中的关键问题之一[1-2]。我国公路桥梁抗风设计规范和日本、美国、英国等相关规范[3]，对跨度超过200 m 的大跨度桥梁建议通过专门的抗风性能研究，以确保大桥的抗风安全和运行舒适度，对不符合设计要求的断面形式，提出可行的抗风措施[4]。

1 工程背景

某大跨钢箱梁公路悬索桥，位于红河州建水(个旧)至元阳高速公路上，主桥为单跨悬索桥，主跨700 m，大桥在主梁两端设置竖向支撑支座，为了限制横向静风位移设置了横向抗风支座。为了限制大桥的纵向位移，减小纵向振动对吊杆疲劳的影响和增加伸缩缝的耐久性，在梁端设置了纵向黏滞阻尼器。主桥结构布置和主梁断面如图1 所示。

2 大桥设计风参数

桥位处于个旧与元阳之间，可以取周边气象站的参考数据，桥位距离规范列举的气象站蒙自、元江、文山距离较近，可以取蒙自或者元江的风速资料之间的较大者，根据国家气象资料2015 年前的气象资料和周边地形环境，可以得到主梁高度处100 a 一遇的10 min 年最大平均风速为32．3 m/s。桥位地处山区峡谷，不能以常规的风速对数律或者指数律换算得到桥面设计基准风速，可以按照峡谷风速放大系数进行折算[5]。具体为:

其中，H为峡谷底部距离桥面的高度;B1为谷底宽度;B2为桥梁的受风长度。桥梁处于山区，可归为D 类地表。根据我国相关桥梁设计规范，施工期可取10 a 重现期，该桥成桥与施工期间的风参数见表1。

表1 大桥设计风参数

3 结构动力特性分析

大跨桥梁在风的作用下，主风致振动主要是横向、竖向和扭转三个方向，必须建立三维有限元模型，才能全面反映桥梁结构的振动情况。由于大桥属于细长结构，可以利用常见的鱼骨式有限元模型，即整个钢箱梁的刚度、平动质量和转动质量都集中到扭转中心的线性主梁上，主梁与吊杆的连接通过无质量的刚性梁(刚臂)相连。桥塔和辅助墩采用一般的梁单元，吊杆和主缆采用只承受拉力的杆单元，并考虑重力刚度(初始拉力) 的影响。表2 给出了影响该桥抗风性能的几个关键振型的计算结果。

表2 大桥的主要振型、频率和等效质量

4 静力三分力系数

主梁静力三分力系数是研究桥梁抗风性能的基础，一般是通过主梁刚体节段模型风洞获取。研究表明，在均匀流中得到的三分力系数偏于安全，因此桥梁三分力系数的试验均在均匀流场中进行。通过节段模型得到模型受到的风力，反算得到主梁的三分力系数。根据公路桥梁抗风设计规范，一般试验的风攻角为-10° ～10°。在体轴坐标系中的试验结果如图2 所示。在体轴坐标系中，以试验时的水平方向为横轴，竖向为纵轴。从图2 中可以看出，主梁升力系数斜率为正，说明断面具备气动稳定的必要条件。主梁在0°攻角下阻力系数为0．64，从而表明流线箱型桥梁断面具有较小的风荷载，这也是流线型钢箱梁的主要优点。主梁力矩系数接近于0，受攻角影响较小。

图2 主梁三分力系数随攻角的变化曲线

5 主梁颤振性能试验

桥梁的颤振是在平均风作用下的一种具有破坏性的发散振动，其振动机理为在平均风速下，振动的桥梁与周边气体之间不断的相互作用，并从风中吸收能量，致使振幅越来越大，直至结构破坏。因此主梁的颤振问题是必须解决的问题，必须保障在大桥遇到的风速范围内不会发生颤振，即颤振临界风速必须大于颤振检验风速。颤振临界风速一般通过有限元分析、节段模型风洞试验和全桥模型风洞试验进行。一般情况下，节段模型风洞试验的结果偏于安全，可利用节段模型风洞试验进行气动外形的优化，提出改善颤振性能的气动措施。

节段模型一般用8 根弹簧模拟竖向和扭转两个自由度，模拟主梁的竖向和扭转振动。模型缩尺比一般采用1∶50，模型本身必须有一定的刚度，防止局部振动，并保证长宽比大于2。试验装置和试验照片如图3 所示。

图3 动力节段模型试验

流线箱梁悬索桥的成桥状态由竖弯基频和扭转基频控制; 同时受扭弯频率比影响显著，扭弯频率比越小，发生颤振的可能性更大。为选择正确的计算参数，需要针对桥梁的对称振型和反对称振型进行对比。经计算，该桥的正对称扭转频率与正对称竖弯频率的比值较小，试验只针对正对称振型进行。

模型模拟的试验参数见表3。

表3 振动力节段模型试验参数

动力节段模型风洞试验包含成桥状态和施工阶段。在均匀来流情况下，针对主梁断面分别进行了五种风攻角(α为0°，±3°，±5°) 情况下的试验。颤振临界风速测试结果如表4 所示。可知: 无论是成桥状态还是施工阶段，在各试验风攻角下，主梁的颤振临界风速均大于颤振检验风速，证明结构安全。

6 主梁涡激振动性能试验

当气流绕过物体时会在物体两侧及尾流中产生周期性脱落的漩涡，并对物体产生上下交替的作用力。该周期性漩涡脱落的频率与风速成正比，即随着风速的变化，漩涡脱落的频率也随之变化，当漩涡脱落频率与结构某阶自振频率相同时，会发生共振，这种振动被称为涡激共振[6-8]。为研究该桥主梁涡激振动性能，考虑了大桥成桥状态和100%施工状态。涡激振动的试验模型试验参数与颤振略有不同，表5 列出部分试验参数，其他参数同表4。

表4 节段模型得出的颤振临界风速结果

表5 涡振性能风洞试验参数

节段模型试验针对成桥状态和施工状态的主梁断面，均分别进行了五种风攻角(0°，±3°，±5°) 条件下的涡激振动性能试验。试验在均匀流场中进行，风速范围为1 m/s ～18 m/s。试验起始，风速步长以0．5 m/s 取值进行递增，找到其涡振区域后，再适当降低风速增加步长，继而确定出涡激共振起始风速和最大振幅。

根据我国有关规范，红河特大桥在成桥状态时的一阶对称竖弯、扭转涡振的振幅容许值分别为:

竖向:[ha]=0．04/fh=167 mm。

扭转:[θa]=4．56/(fαB) =0．299°。

同样，施工状态时的涡振振幅容许值分别为:

竖向:[ha]=0．04/fh=157 mm。

扭转:[θa]=4．56/fαB=0．286°。

试验表明:该桥在施工状态在所有试验攻角下均没有发生涡激振动现象。成桥态主梁在- 5°，- 3°，0°，+3°四种攻角情况下，没有发现明显的涡激振动。

在+5°风攻角下均有一个比较明显的竖向涡激振动和扭转涡激振动，竖向振动锁定风速17．8 m/s，振幅为46 mm;扭转锁定风速为23．4 m/s，振幅为0．097°，竖向和扭转振幅均没有超出规范容许值，具体如图4 所示。

图4 主梁成桥状态涡振振幅

7 结论

1) 本桥钢箱梁升力系数斜率为正，说明断面具备气动稳定的必要条件。主梁在0°攻角下阻力系数为0．64，从而表明流线箱型桥梁断面具有较小的风荷载。2) 主梁设计成抗风性能较好的钢箱梁，节段模型颤振稳定性试验表明该桥成桥态及施工态在0°，+3°，-3°，+5°，-5°五种攻角下的颤振临界风速大于桥梁结构的颤振检验风速，颤振安全性能够保证。3) 由于本桥是流线型箱梁，施工状态在所有试验攻角下均没有发生涡激振动现象。成桥态主梁在-5°，-3°，0°，+3°四种攻角情况下，均没有发现明显的涡激振动。在+5°风攻角下均有一个比较明显的竖向涡激振动和扭转涡激振动，竖向和扭转涡振振幅均没有超出规范容许值。