佛山奇龙大桥抗风性能研究

林继乔

（佛山市路桥建设有限公司，广东 佛山528313）

佛山奇龙大桥抗风性能研究

林继乔

（佛山市路桥建设有限公司，广东 佛山528313）

以广东佛山奇龙大桥为工程背景，研究混合梁独塔斜拉桥在施工和成桥阶段的抗风性能。按照规范获得了大桥的基本风速、设计基准风速以及颤振检验风速，并利用数值方法对大桥的成桥阶段与施工最长悬臂阶段的动力特性进行了分析。结合风洞节段模型试验结果对其涡激振动、气动稳定性、三维静风稳定性进行了分析。结果表明，奇龙大桥新型的截面外形设计具有良好的抗风稳定性能，满足相关规范要求。

斜拉桥；抗风性能；数值计算；模型试验

1　工程概况

佛山市魁奇路东延线二期工程奇龙大桥主桥设计为独塔斜拉桥，跨径组合为66 m+69 m+260 m=395m，边中跨比0.52，总体布置如图1所示。采用双索面布置，塔墩梁固结，边墩设纵向活动支座。桥面全宽40.5 m，主塔采用菱形桥塔，主塔塔身总高143 m，上塔柱高约118 m，下塔柱高约25 m。主梁在中跨近主塔处设置钢混结合段，中跨247 m采用钢箱梁，如图2所示。边跨采用预应力混凝土箱梁，梁高3.5 m。为保证此类混合梁独塔斜拉桥在整个施工以及运营期间的抗风安全，结合国内外学者研究成果[1-5]，对大桥主桥的抗风性能进行了研究。本文总结了广东佛山奇龙大桥抗风性能研究的部分研究成果。

图1　佛山奇龙大桥总体布置图（单位：cm）

图2　佛山奇龙大桥主跨钢箱梁布置图（单位：cm）

2　基本风速、设计基准风速、颤振检验风速的确定

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG D60-01—2004）中的全国基本风速分布图和全国各气象台站的基本风速值，奇龙大桥桥位处标准高度10 m、平均时距10 min、重现期100 a的基本风速可以按照相邻城市（广州市）风速较大值取为31.3 m/s。奇龙大桥桥位场地地表类别为B类，幂指数α= 0.16，由此可以得到主桥桥位10 m高度处的设计基本风速为：

桥梁设计基准风速可以按照式（2）确定：

式中：Z表示跨中桥面离开水面的高度；Z10表示标准高度，即 Z10=10 m；V10表示桥位10 m高度处设计基本风速，即V10=31.3 m/s；α表示幂指数，取α=0.16。

桥面离水面高度按平均水位计算为z=28.9 m，则成桥状态桥面高度处设计基准风速为Vd=37.1m/s。施工期间，按照30 a重现期，则施工期间的设计基准风速Vsd=34.1 m/s。

成桥阶段的颤振检验风速可以按式（3）计算：

相应的施工阶段颤振检验风速为：

3　结构动力特性

桥梁结构动力特性分析是研究桥梁振动问题的基础。采用ANSYS有限元分析软件对奇龙大桥的成桥状态与最长悬臂状态的动力特性进行了分析。根据结构的总体布置以及构造特点，建立全桥成桥状态以及最长单悬臂施工状态的有限元模型，分别见于图3（a）、图3（b）。奇龙大桥采用全桥空间有限元模型，其中主梁采用梁单元模拟，斜拉索采用空间杆单元模拟，二期恒载假设均匀分布于桥面系上，并考虑其平动质量和质量惯矩。桥塔与主梁采用塔梁固结体系的结构形式。

图3　奇龙大桥动力特性分析有限元模型

通过分析发现，大桥成桥状态竖弯基频为0.425 8 Hz，扭转基频为0.908 6 Hz，扭转频率比为2.13。竖弯等效质量为36.249 t/m，扭转等效质量惯性矩为5 895.1 t·m2/m。

同样，针对奇龙大桥施工最长悬臂状态下的结构动力特性计算结果显示，施工状态竖弯基频为0.325 4 Hz，扭转基频为0.730 4 Hz，扭转频率比为2.24。竖弯等效质量为26.46 t/m，扭转等效质量惯性矩为4 394.21 t·m2/m。

4　颤振试验研究

奇龙大桥位于B类风环境区域，横桥向桥面高度来流风按照-3°～+3°范围考虑。通过直接试验法测定的结构在均匀流场中的颤振临界风速和实测的位移随风速增加的变化规律，考虑了成桥状态与最长单悬臂施工状态两种工况。图4为节段模型风洞试验。根据实桥主梁断面尺寸、风洞试验尺寸和直接实验法要求，选取节段模型的缩尺比为1/70。

图4　节段模型风洞试验

颤振稳定性试验结果表明：成桥状态在风攻角-3°、0°及+3°下的颤振临界风速最小值为128 m/s，高于该桥的颤振检验风速58.4 m/s，因此颤振满足规范要求。同样施工状态在风攻角-3°、0°及+3°下的颤振临界风速最小值为125.6 m/s，高于该桥的颤振检验风速53.8 m/s，因此颤振满足规范中对颤振稳定性的要求。表1为主梁断面不同风攻角下的颤振临界风速结果。

表1　颤振临界实桥风速

5　涡激振动试验

针对奇龙大桥成桥状态原型断面及各种气动外形进行了节段模型涡振风洞试验，分别在均匀流场与紊流场中进行，试验风攻角为-3°～+3°。根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T D60-01—2004）中的规定，成桥状态扭转涡激共振振幅允许值与成桥状态竖弯涡激共振振幅允许值分别为：

试验结果表明，原型断面在均匀流场中发现了大幅涡激振动，不能满足规范要求。通过一系列气动外形的测试表明，降低栏杆基座高度并增设风嘴可以抑制涡振。鉴于均匀流场下原始方案发生了涡激振动，开展了低紊流场下的涡激振动试验研究，试验中未发现涡激振动，说明大桥在实际风场中发生涡激振动的可能性很低。

6　三维静风稳定数值分析

大跨度缆索承重桥梁在静风荷载作用下，主梁发生弯曲和扭转变形。当来流风速超过临界风速时，随着结构变形的增大，结构抗力的增加速度小于静风荷载增加速度，此时结构发生静风失稳。静风失稳是静风荷载与结构变形耦合作用的一种体现。采用计入三分力效应的非线性有限元分析方法，通过全过程跟踪计算出桥梁结构在恒载和静风荷载共同作用下的主梁竖向、侧向和扭转位移随风速变化规律，并确定广东佛山奇龙大桥独塔双索面斜拉桥结构静风失稳临界风速。三维静风稳定性数值分析考虑成桥状态-3°、0°和+3°三种风攻角。分析计算结果见图5所示。

图5　成桥及施工状态+3°风攻角主梁扭转角变化情况

计算结果表明，奇龙大桥成桥状态与施工最长悬臂状态的三维静风稳定性能良好，在0°、+3°、-3°风攻角时在150 m/s以内未发生静风失稳，桥梁满足静风稳定性要求。

7　结　论

通过针对奇龙大桥节段模型试验、抗风数值分析，对大桥的抗风性能进行了全面评价，可以得到以下结论：

（1）奇龙大桥成桥状态与最长单悬臂施工状态的颤振临界风速均高于颤振检验风速，满足颤振稳定性要求。

（2）在均匀流场中，观测到了竖弯和扭转涡振现象，然而在低紊流场中，涡振现象消失。这表明紊流对于涡振有较好的抑制作用，可以认为位于自然风场中成桥状态下发生涡振现象的可能性较低。进一步气动外形优化试验表明，降低栏杆高度、改变风嘴外形可以有效地抑制涡激振动。

（3）奇龙大桥成桥状态与施工最长悬臂状态的三维静风稳定性能良好，在0°、+3°、-3°风攻角时在150 m/s以内未发生静风失稳现象，桥梁满足静风稳定性要求。

[1]余俊林，宋锦忠，丁望星.湖北鄂东长江公路大桥抗风稳定性能研究[J].桥梁建设，2009(1)：29-32．

[2]罗涛.营口辽河公路大桥抗风性能研究 [J].公路交通科技，2009，26(2)：103-107．

[3]李玲瑶，葛耀君.大沽河航道桥抗风性能试验研究[J].武汉理工大学学报，2007，29(12)：84-87．

[4]葛耀君，项海帆，凌明，等.卢浦大桥风荷载及抗风稳定性研究[J].上海建设科技，2004(1)：39-41．

[5]张伟，葛耀君.导流板对大跨度桥梁风振响应影响的流场机理[J].中国公路学报，2004，22(3)：52-57.

中国最长湖底隧道开通

东湖湖底隧道历时3年时间于2015年12月28上午10时正式开通。这条东湖隧道穿过中国最大的城中湖——武汉东湖，建成通车后是我国目前最长的湖底隧道。

东湖通道起于二环线水东段主线高架桥（红庙立交），止于喻家湖路（喻家山北路路口），全长约10.634 km。其中，东湖隧道段长7.035 km，为我国目前最长的湖底隧道。工程主线为双向6车道，设计车速为60 km/h。

东湖通道项目于2012年10月27日正式开工，总投资为78.38亿元，其中东湖隧道段横贯东湖风景区，总投资约为63亿元，隧道建设以保护东湖风景区的水质和生态为设计理念。

东湖通道串起了武昌和光谷，通车后成为武昌直达光谷的快速路，为拥堵不堪的武珞路—珞喻路“分忧解愁”。东湖未来还将建设一条植物园隧道，从花山严西湖大桥下穿，穿过东湖到光谷鲁磨路，设计双向6车道，将与东湖隧道呈交叉之势。在东湖隧道建设过程中，已预留了植物园隧道口，为将来的施工提供便利。

U441

B

1009-7716（2016）02-0104-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.02.027

2015-12-02

林继乔(1962-)，男，江苏扬中人，高级工程师，副总经理兼总工，从事桥梁设计、施工及管理工作。