斜拱塔施工状态抗风性能试验研究

徐治芹

(中国市政工程华北设计研究总院，天津市 300074)

斜拱塔施工状态抗风性能试验研究

徐治芹

(中国市政工程华北设计研究总院，天津市 300074)

苏扬公路2号桥桥塔采用了先进的无支架安装技术，施工期间桥塔自重及施工荷载靠自身承受，安全系数较传统的支架工法有所降低，桥塔易受到风荷载的影响。为了保证桥塔在施工期间的安全，必须进行必要的桥塔施工状态抗风性能试验研究。在计算桥塔自立状态动力特性的基础上，进行了桥塔施工状态气动弹性模型风洞试验，为桥塔的施工提供了安全保障，对同类工程有重要的借鉴意义。

桥塔;施工状态;抗风性能;风洞试验

1 概述［1-3］

斜拉桥设计时必须考虑抗风稳定性，尤其是处于施工状态的桥塔，由于没有斜拉索的锚固作用，更容易受到风荷载的影响。除了常规的风荷载静力作用外，还必须考虑空气动力稳定性问题。由于桥塔是复杂的三维非流线型钝体结构，加之桥梁的气动弹性效应影响，仅靠理论分析难以满足桥塔抗风设计的需要，借助模型风洞试验成为研究桥塔抗风性能的必然选择。

苏扬公路2号桥位于鄂尔多斯市铁西三期开发区，是一座超宽桥面卵形斜塔组合梁特种斜拉桥。主塔为全钢结构，轴线为圆曲线，塔平面与竖直方向夹角为15°。主塔总重量为1 600 t，总高度为70 m，主墩以上高67.6 m，主塔沿桥梁纵向倾斜15°。主塔双腿沿曲线向上在塔顶部汇聚成整体，沿顺桥向主塔呈献鱼形。主塔双腿及顶部均为箱型断面，钢塔底部与主墩固结成整体，见图1、图2。

桥塔安装使用了国内首创的无支架安装技术，相比于传统的支架工法，节约了大量资金及工期。但整个施工过程中，桥塔自重及施工荷载仅靠自身承受。相比于传统的支架工法，安全系数有所降低，桥塔也更容易受到风载的影响，特别是地处于多风的鄂尔多斯地区。为确保桥塔施工状态的安全，对自立状态的桥塔进行风洞试验和分析，研究桥塔的抗风性能，是非常必要的。

该桥于2009年10月开工建设，2011年6月建成通车。

图2 成桥照片

2 桥位边界层风特性参数

2.1 设计基本风速

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)，内蒙东胜地区的基本风速，即离地面10 m高度处百年一遇10 min平均年最大风速为Vs10=33.7 m/s。

2.2 设计基准风速

苏扬公路2号桥周边属于B类地表，桥塔构件基准高度处的设计基准风速按式(1)计算:

式中:Z表示离开水面的高度;Z10表示标准高度，即Z10=10 m;Vs10桥址处的设计风速;α表示地表粗糙度系数，取α=0.16。

根据式(1)计算出桥塔设计基准风速为43.9 m/s。

对于施工阶段，重现期按10 a考虑，根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)给出的重现期系数η取值为0.84，则其施工阶段的设计基准风速为:

2.3 驰振检验风速

根据《公路桥梁抗风设计规范》(JTG/T D60-01-2004)，桥塔自立状态的驰振检验风速取1.2倍的设计基准风速，即:

3 桥塔自立状态动力特性计算

结构动力特性分析是研究桥梁振动问题的基础，为了进行风荷载作用下的结构全过程动力响应分析和桥塔气弹模型风洞试验，必须首先计算桥塔自立状态下的动力特性。为此，采用通用有限元分析软件对桥塔的动力特性进行分析。

3.1 有限元计算模型

桥塔为高70 m的卵形全钢异型塔，塔柱采用矩形截面。塔柱和横梁离散为空间梁单元，其中异型横梁简化为等截面横梁加刚臂。自立状态的有限元计算模型见图3。

图3 桥塔自立状态有限元计算模型

3.2 动力特性计算结果

桥塔自立状态自振频率和振型描述见表1。

表1 桥塔自立状态自振频率和振型

4 桥塔气动弹性模型设计［4-5］

4.1 相似性准则

在桥塔气弹模型设计制作中，不仅要模拟几何尺寸和风场特性，而且还要模拟气动弹特性。一般说来，气弹相似性包括结构的长度、密度和弹性的相似条件以及气流的密度和粘性、速度和重力加速度等的相似条件。桥塔气弹模型风洞试验应尽量满足这些相似性条件。

考虑到实验室边界层风洞的空间限制，以及尽可能模拟出桥塔结构的细部形状，桥塔气弹模型采用1:100的几何缩尺比制作常刚度气弹模型。常刚度模型主要用于观测桥塔的驰振、涡振、抖振等风振现象，除了Reynolds数、Cauchy数以外，其余4个无量纲参数在该常刚度气弹模型风洞试验中得到了严格模拟。

4.2 桥塔气弹模型设计

苏扬公路2号桥桥塔气弹模型依据图纸和前述结构动力特性分析结果设计，见图4。为了同时满足以上无量纲参数的相似要求，气弹模型设计主要从三方面进行模拟，即弹性刚度、几何外形和质量系统。

图4 桥塔气弹模型

4.2.1 弹性刚度模拟

桥梁结构气动弹性模型的刚度完全由模型骨架提供，选用普通A3钢作为骨架用材。根据弯曲刚度和扭转刚度的相似比要求，设计符合竖弯、侧弯和扭转刚度要求的凹形截面钢骨架，钢骨架的轴线与实际桥塔轴线一致，同时考虑刚域的影响。

4.2.2 几何外形模拟

按照几何相似比的要求，采用形状相似的模型外衣模拟实际结构的外形。

4.2.3 质量系统模拟

根据质量系统相似比的要求，扣除钢骨架和外衣所提供的实际质量和质量惯矩，采用铅块为配重来补充不足部分的质量，铅块对称粘贴在外衣的内侧并通过调节铅块位置来达到满足质量惯矩相似比的要求。

5 大气边界层流场模拟

苏扬公路2号桥桥塔气动弹性模型风洞测振试验在同济大学土木工程防灾国家重点实验室边界层风洞中进行。

本试验分别在均匀流场和模拟大气边界层流场(也称紊流场)中进行。风洞中大气边界层流场的模拟采用传统的尖塔加粗糙元方法。

在边界层风场的各参数中，主要参数可以分成两类，一为平均风参数，另外则为紊流风参数。

5.1 平均风速

关于平均风参数，在风洞试验过程中最为关注的就是平均风速沿高度的分布。在边界层风场测试时，用热线探头在模型安装位置沿高度处分别测量了设计基准风速时平均风速剖面，图5给出了平均风速剖面。

图5 模拟风场平均风速剖面

从图5中可以看出，模拟风场的平均风速剖面指数α=0.16。

5.2 紊流度

同样，也在模型安装位置沿高度处分别测量了风场紊流度剖面，试验实测结果见图6。在抖振试验中，来流的紊流度和风谱(也即脉动风中各个频率分量)对试验结果有着关键的影响。从图6可见，模型区的紊流度有较好的分布规律，在0.65 H桥塔基准高度处的实测紊流度平均值约11%左右，达到了模拟值的要求。

图6 模拟风场紊流度剖面

5.3 紊流功率谱密度

图7为0.65 H桥塔基准高度处的模拟紊流场顺风向脉动风功率谱。

图7 模拟紊流风场0.65 H处脉动风谱

6 桥塔施工状态气动弹性模型风洞试验

6.1 试验工况

根据计算，桥塔施工完成未安装斜拉索时(桥塔自立状态)为最不利状态，以此时的桥塔作为气弹模拟风洞试验的对象。桥塔自立状态下一阶横桥向弯曲阻尼比为0.58%，一阶顺桥向弯曲阻尼比为0.42%，一阶扭转阻尼比为0.32%。

桥塔自立状态气弹模型分别进行两种流场风洞试验，即均匀流场和B类紊流场。在每个阶段的每个流场试验中，通过改变不同的偏角进行吹风试验。每个风速采样频率为200 Hz，采样时间为60 s。

最后采取了从塔顶向边跨方向拉一根康铜丝锚固在地上，且康铜丝中间连接一个阻尼圈的措施，使一阶顺桥向弯曲阻尼比提高到0.88%，见图8。采取该措施后，选择了风偏角为0°、15°两个典型试验工况，进行不同阻尼涡振性能对比试验。

图8 带附加阻尼措施的气弹模型

风洞试验共完成了两种流场下共计20个试验工况，见表2。

表2 试验工况一览表

6.2 测点布置和试验模型

在主塔塔顶的中部和两侧以及桥塔0.65 H高度处分别设置了加速度信号测点。在每个测点上都进行了加速度测量。

6.3 主要试验结果

设计基准风速Vsd=36.9 m/s下，均匀流和B类紊流场中桥塔塔顶、0.65 H处顺桥向、横桥向和扭转的风振响应的最不利状态见表3。

表3 桥塔风振响应的最不利状态

提高一阶顺桥向弯曲阻尼比前后，涡振性能对比试验结果(风偏角β=0°)，见图9～图11。

图9 均匀流中减振前后顺桥向位移对比(风偏角β=0°)

图10 均匀流中减振前后横桥向位移对比(风偏角β=0°)

图11 均匀流中减振前后横桥向位移对比(风偏角β=0°)

7 结论

通过对试验结果的分析可以得出以下结论:

(1)桥塔处于自立状态时，各个风偏角下没有观测到驰振等不稳定现象，抖振响应也比较小。

(2)在均匀流场、不同偏角的风振响应对比中，0°偏角为不利状态。当阻尼比为0.42%、风速为35 m/s强风下，顺桥向弯曲涡振振幅位移极值为11.6 cm，达H/580。因此，施工中出现0°偏角的强风时，要加强观测，必要时停止施工，并采取有效减振措施。

(3)11%左右的紊流对涡振有明显的抑制作用。处于自然风场中的桥塔发生较大振幅的涡激振动可能性很小。

(4)当采取增大阻尼的减振措施，即将顺桥向弯曲振动阻尼比调高后，涡振得到明显的抑制。因此，桥塔施工时设置临时减振阻尼装置，是应对强风下产生风振的有效措施。

桥塔自立状态风洞试验是针对苏扬公路2号桥钢拱塔施工状态进行的，为桥塔的施工提供了安全保障，并得出了一些有益的结论，对同类工程具有重要的借鉴意义。

［1］ 中国市政工程华北设计研究总院.苏扬公路2号桥施工图设计［Z］.2009.

［2］ 同济大学土木工程防灾国家重点实验室.苏扬公路2号桥主桥抗风研究报告［R］.上海:同济大学，2010.

［3］ JTG/T D60-1-2004，公路桥梁抗风设计规范［S］.

［4］ 喻梅，廖海黎，李明水，等.大跨度桥梁斜风作用下抖振响应现场实测及风洞试验研究［J］.实验流体力学，2013(6):51-55.

［5］ 白桦，刘健新，胡庆安.大跨度半拱式异形桥梁抗风性能研究［J］.郑州大学学报(工学版)，2010(9):22-26.

U448.22

A

1009-7716(2015)04-0157-04

2014-12-12

徐治芹(1979-)，男，山东威海人，高级工程师，从事桥梁设计研究工作。