南庄大道东平河特大桥抗风试验研究

南庄大道东平河特大桥抗风试验研究

杨雄峰

广东佛盈汇建工程管理有限公司广东佛山528000

摘要：为了解大跨度独塔混合梁斜拉桥的抗风性能，以佛山市南庄大道东平河特大桥（主跨268m的独塔混合梁斜拉桥）为背景进行了抗风试验研究。设计制作了1:50加劲梁节段刚性模型。研究内容包括：大桥抗风性能的风速标准确定、结构动力特性分析、主梁节段模型风洞试验以及主梁断面三分力系数的测力试验研究以及静风稳定、全桥颤抖振分析等理论分析。并为桥梁的抗风设计提出了优化设计意见，可供同类型桥梁的设计进行参考。

关键词：斜拉桥；混合梁；节段模型；颤振临界风速；风洞试验

1工程概况

东平河特大桥为南庄大道东延（南庄大道接雾岗路南延）工程横跨东平水道（Ⅱ级航道）的控制性工程，连接南庄镇和石湾镇街道。主桥总体布置为（65+75+268）m，主桥总长408m，桥型布置图如图1所示。主桥为独塔双跨双索面混合梁斜拉桥，边中跨比140/268=0.522。全封闭箱型断面钢-混凝土混合梁主梁设计方案，主梁全宽38.5m，顶面宽36.5m，中心梁高3.3m，顶面设2%双向横坡，顶面设2%双向横坡，边、中跨主梁断面图如图2所示。主塔在造型上采用宝瓶型索塔，塔柱采用空心截面，由塔柱、塔冠组成，混凝土材质为C50。斜拉索布置在主梁两侧，主跨无索区长度为18m，主跨钢箱梁标准索距12m，边跨混凝土梁索距6.0m。

图1东平河大桥全桥结构布置图

图2钢主梁断面及混凝土梁断面

2风速标准的确定

3动力特性分析

采用授权的国际大型通用有限元分析软件ANSYS建立了东平河特大桥独塔斜拉桥封闭箱型断面钢-混凝土混合梁主梁设计方案的成桥三维有限元分析模型。表1所示为东平河特大桥成桥状态结构动力特性分析结果。

表1东平河特大桥成桥状态结构动力特性

图3东平河特大桥成桥状态三维有限元模型

4主梁节段模型试验

主梁节段模型风洞试验在中南大学风工程试验研究中心边界层风洞中进行，该风洞风速的调节和控制采用计算机终端集中控制的可控硅直流调速系统。该风洞的试验段截面尺寸为3.0m（宽）×3.0m（高）×15m（长），试验风速范围为0~94m/s。

5主梁节段模型涡激振动试验及优化措施

涡激共振检验试验在均匀流下进行。依据抗风设计规范，攻角测试范围取为-3º，0º，+3º。考虑到涡振发生风速可能较低，对可能发生涡振的1阶对称竖向弯曲振动及1阶对称扭转振动都进行涡振测试。

节段模型涡激振动试验研究工况汇总见表2

设计方案主跨钢箱梁主梁断面在-3度来流攻角下未发生明显涡激共振响应，在0º，+3º攻角均发生了涡激共振响应，并且随来流攻角由负向正改变，主梁涡振响应幅值越来越大。0º来流攻角下，主梁在7.1m/s~11.5m/s风速区间内发生了较小振幅的竖向涡振，未发生扭转涡振现象。在+3º攻角下，主梁节段涡振响应明显增大，在风速区间8.8m/s~11.7m/s以及14.5m/s~17.4m/s发生了较大振幅的竖向涡振，最大振幅分别为规范限值的45%和79%；同时，在21.7m/s~29.1m/s风速区间内发生了较大振幅的扭转涡振响应，响应振幅约为规范限值的82%。虽然节段模型试验涡振响应幅值未超出规范允许限值，但从大桥的行驶舒适性及耐久性等方面考虑，设计方案的主梁断面需要进一步进行气动措施优化，以使其涡振响应显著降低，确保桥梁的使用性能。

表2涡激振动试验研究工况汇总表

根据低阻尼工况的试验结果，选取最不利的+3º来流攻角状态，考虑到东平河特大桥钢混组合的主梁结构，将自由悬挂节段模型试验系统阻尼偏保守的调整至0.48%，并且参考相关的研究文献，尝试采取一些气动措施对设计方案主跨流线型钢箱梁主梁断面进行涡振性能优化。

（1）增大结构阻尼

增大结构阻尼使主梁涡振响应得到到了一定程度的抑制，其中竖向涡振最大响应降低约24%，而扭转涡振响应峰值降低约20%。虽然阻尼增加至0.48%对涡振响应有一定程度上的抑制作用，但是竖向及扭转涡振响应峰值均仍占允许值的近60%，涡振响应仍然较明显，有待进一步优化。

（2）移动梁底检修轨道

检修轨道的内移对于原设计方案的扭转涡振响应具有显著的制振效果，两种工况下均未发生明显的扭转涡激振动。然而对于低风速区间易于发生的竖向涡激振动，检修轨道的内移起到了一定抑制作用，但是效果有限，未能完全抑制竖向涡激振动，14.5m/s~17.4m/s风速区间的较大振幅竖向涡激振动振幅在工况5下仅降低了约8%，在内移2.5m的工况6下振幅降低约24%。由此可以看出，检修轨道内移对主跨流线型钢箱主梁的涡振响应起到了一定抑制作用，但是仍未达到理想效果，需继续进行优化。

（3）人行道外侧栏杆内移

+3°攻角状态下验证的人行道外侧栏杆内移对于0°及-3°攻角同样有效，均未发生扭转及竖向涡激共振现象，主梁具有良好的涡激共振性能。此可知人行道外侧栏杆是该桥的涡振敏感构件，通过外侧栏杆内移0.25的措施可以有效的抑制主梁涡街共振响应。

综上所述，人行道外侧栏杆内移0.25m在规范要求的攻角范围内具有显著的制振效果，可作为推荐措施，同时梁底检修轨道内移同样对主梁涡振尤其是扭转涡振有着显著抑制效果，因此建议在人行道外侧栏杆内移0.25m的基础上可以结合检修轨道适当内移的措施，确保大桥的涡振稳定性能。

6主梁节段模型颤振稳定性试验

试验获得的相应的颤振临界风速试验结果见表3。从表3中可以看出，设计方案的成桥状态的颤振临界风速远高于其颤振检验风速，颤振稳定性满足规范要求，故可以判断东平河特大桥设计方案成桥颤振稳定性满足规范要求。

表3成桥状态二维节段模型颤振临界风速

采用初始激励自由振动法对东平河大桥成桥及施工状态的颤振导数进行了测试，颤振导数识别结果如图5所示。

图5成桥状态主梁断面颤振导数随折减风速变化曲线

6结语

（1）东平河特大桥涡激振动检验试验表明：主跨主梁设计流线型钢箱梁断面在成桥状态具有明显的涡激共振现象，在0.28%低阻尼试验条件下，发生双锁定区间竖向涡振，风速区间分别为8.8m/s~11.7m/s以及14.5m/s~17.4m/s，扭转涡振区间为21.7m/s~29.1m/s，涡振振幅未超过规范限值。并且在+3º攻角下竖弯及扭转的振动最大幅值明显高于其他两个攻角，并且竖弯及扭转涡振幅值仅比规范允许值低约20%。

（2）考虑到大桥的使用舒适性，进行了设计方案主梁涡振性能的气动措施优化试验，经比较最终确定人行道外侧栏杆内移0.25m能有效的抑制主梁的涡振响应，可作为推荐气动优化措施。同时梁底检修轨道适当内移有利于提高主梁涡振性能。

（3）主梁节段模型颤振试验研究表明，优化后方案成桥及施工状态均具有良好的颤振稳定性，成桥及施工状态颤振稳定性满足规范要求。

参考文献：

［1］陈龙蔡，晓红，郭陆山.大跨桥的风致振动问题［J］.湖北工业大学学报，2008,23（2）

［2］宋锦忠.桥梁颤振形态引出的思考［J］.第十一届全国结构风工程学术会议论文集，2003:502-505，U441-U443.