广东江顺大桥抗风性能试验研究

刘志文　洪涵　梁立农　万志勇　薛亚飞　陈政清

摘要：采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对主跨700 m的广东江顺大桥主桥结构抗风性能进行研究，包括主梁、桥塔气动参数试验与CFD模拟、主梁1/60几何缩尺比节段模型测振试验、主梁1/25几何缩尺比节段模型涡振试验、全桥气弹模型试验研究等.结果表明：该桥在成桥状态和施工状态具有足够的抗风稳定性，在设计风速下涡振性能和抖振响应性能均满足规范要求；大比例主梁节段模型得到的涡振振幅小于常规比例节段模型得到的涡振振幅，表明采用常规比例模型进行桥梁主梁涡振性能评估是偏于保守的.

关键词：斜拉桥；风洞试验；计算流体动力学；抗风性能

中图分类号：U448.27 文献标识码：A

随着桥梁跨度的增大，其自振频率、阻尼比等不断降低，桥梁结构对风作用更加敏感，甚至成为大跨度桥梁设计的控制因素＼[1＼].陈艾荣等针对主跨1 088 m的苏通长江公路大桥的超长索对大桥结构动力特性的影响、超大跨度斜拉桥主梁涡振性能以及超大跨度斜拉桥气动稳定性和风荷载等进行了研究.研究表明：超大跨度斜拉桥斜拉索振动对主桥结构动力特性的影响不容忽视；千米级斜拉桥虽然具有足够的颤振稳定性，但其颤振形态表现为索面、梁侧向振动与主梁弯扭颤振的耦合振动形态；主梁检修车轨道位置对主梁涡振性能影响较大，建议采用大几何缩尺比模型风洞试验进行验证＼[2＼].Akiyama Haruki针对主跨890 m的多多罗大桥抗风性能进行了研究，分别进行了主梁节段模型试验（几何缩尺比1/45）、桥塔自立状态气弹模型试验和全桥气弹模型试验研究（几何缩尺比分别为1/70和1/200，1/200全桥气弹模型考虑了周边地形的影响）.研究表明：多多罗大桥成桥和施工状态颤振稳定性均满足要求，未观测到明显的索梁耦合振动现象；主梁涡激振动可以忽略，未采取相应控制措施；设计风速下风致抖振响应满足要求＼[3＼].国内多位学者针对大跨度斜拉桥抗风性能进行了风洞试验研究＼[4-9＼].闭口流线型箱梁断面的涡振性能雷诺数效应也是国内外学者关注的重点.G. Schewe和A. Larsen在压力风洞中对丹麦大海带东桥主梁断面进行了涡振试验研究，研究显示影响主梁涡振的重要参数斯克拉顿数SC在雷诺数为8×104～4×105之间随着雷诺数的增加而增加，认为采用小尺度的风洞试验换算到实桥进行抗风设计是偏于保守的＼[10＼].A. Larsen等针对香港昂船洲大桥的主梁断面进行了几何缩尺比分别为1∶80和1∶20两种模型试验研究，结果显示不同几何缩尺比模型涡振响应存在差异，因此采用传统常规比例节段模型（几何缩尺比为1∶50～1∶80）对主梁涡振性能进行研究是不够的＼[11＼].张伟等针对西堠门大桥主梁断面分别进行了几何缩尺比为1∶40和1∶20的主梁节段模型涡振试验研究，研究显示低雷诺数试验所得的涡振振幅要大于高雷诺数试验所得的涡振振幅＼[12＼].鲜荣等分别采用几何缩尺比为1∶50和1∶20的扁平箱梁节段模型进行闭口流线型主梁涡振性能研究，研究显示常规比例主梁节段模型与大尺度模型之间存在较大的差异，建议采用大尺度模型进行主梁涡振性能研究＼[13-14＼].

综合以上文献可看出，对于大跨度斜拉桥而言，采用倾斜双索面斜拉索体系和闭口流线型钢箱梁主梁断面形式，其颤振稳定性基本可以达到要求，其抗风设计重点是主梁涡振性能与风荷载效应，且主梁模型几何缩尺比对主梁涡振性能的影响不容忽视.本文结合在建的江顺大桥，采用风洞试验和CFD数值模拟相结合的方法对其抗风性能进行研究.

1工程概况

江顺大桥位于广东省江门至顺德之间，跨越西江，是广（州）佛（山）江（门）快速通道工程上的一座特大桥梁.主桥为主跨700 m的钢混凝土混合梁斜拉桥，跨径布置为60 m +176 m +700 m +176 m +60 m =1 172 m，主跨及次边跨为闭口流线型钢箱梁，边跨为预应力混凝土箱梁，主梁宽为B=39.0 m，主梁中心处梁高为H=3.5 m，图1所示为江顺大桥主桥总体布置图及主梁标准断面图.

（a）主桥立面布置图

（b）主梁标准断面图

根据该桥桥位气象观测及风参数专题研究成果可知，桥位处每年7—10月份为台风多发期，影响该地区的台风次数平均为1.4次/年；大桥桥位基本风速为V10=32.4 m/s，平均风剖面指数为α=0.11.成桥状态桥面高度处设计基准风速为Vd=37.1 m/s，施工重现期取10年，对应施工阶段设计基准风速为Vsd=31.2 m/s.采用ANSYS软件对主桥成桥状态及关键施工状态进行结构动力特性计算，表1仅给出成桥状态及最大单悬臂状态前十阶频率与振型描述.

1.084 5

2主梁节段模型测振风洞试验

2.1常规比例主梁节段模型试验

采用几何缩尺比为λL=1/60的主梁节段模型进行主桥颤振稳定性检验.主梁节段模型长为L= 1 800 mm，宽为B=650 mm，高为H=58 mm，模型长宽比约2.769.

图2（a）所示为主梁节段模型试验照片，表2所示为主梁节段模型试验参数.表3所示为主桥成桥状态及最大单悬臂施工状态主桥结构颤振临界风速结果汇总.由表3可知，成桥状态及最大单悬臂施工状态主桥颤振稳定性均满足要求，表明大桥具有足够的颤振稳定性.

2.2大比例主梁节段模型试验

考虑到本桥主梁结构涡振发生的可能性以及模型构造细节、风洞试验段尺寸等因素，确定采用几何缩尺比为1/25的主梁节段模型进行该桥主梁涡振性能评估.模型长为L=3 000 mm，宽为B=1 560 mm，高为H=140 mm，模型长宽比约1.923，模型阻塞率为δ=4.26%（为+5o风攻角时的阻塞率），小于《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D6001—2004）要求值5%.试验在湖南大学HD2号风洞中进行，试验段尺寸为8 m（宽）×2 m（高）×15 m（长），试验段风速范围为0～12 m/s，均匀流场紊流度小于1%，试验照片如图2（b）所示，模型试验参数见表4.