鸭池河铁路特大桥悬臂施工阶段抗风性能风洞试验

2018-04-11敬洪武洪成晶

四川建筑 2018年5期

敬洪武，洪成晶

(1.成贵铁路有限责任公司，四川成都 610031; 2.西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

与大跨度斜拉桥和悬索桥相比，拱桥的跨度相对较小，结构刚度较大，风致效应相对较小。然而在拱桥施工阶段，尤其是采用悬臂施工方法时，结构的自振频率较小，对风的作用敏感[1-3]。当拱桥处于最大悬臂状态时，风对结构的抗风稳定性和抖振性能更为不利。目前对拱桥抗风性能的研究主要依赖于风洞模型试验。为检验330 m的捷克兹达可夫桥的横向稳定性，采用1/50缩尺比的全桥模型进行了风洞试验[4]，这是国外较早进行全桥气弹模型风洞试验的大跨度拱桥。在国内，自贵州江河界大桥开始，拱桥的抗风性能得到了越来越多的关注。葛耀君等[5]对上海卢浦大桥进行了桥位风环境试验、节段模型测力试验和全桥气弹模型试验，并对结构的静风稳定性等方面进行了研究。周述华等[6]对丫髻沙大桥进行了节段模型试验、全桥气弹模型试验，并对桥梁的风致响应进行了分析计算。晏致涛[7]对菜园坝长江大桥进行了节段模型和全桥气弹模型试验，并对其颤振导数和抖振内力进行了分析和研究。本文以鸭池河大桥为工程背景，对结构悬臂施工阶段抗风性能进行气弹模型试验，并根据试验结果指导施工。

1 工程背景及动力特性计算

新建成都至贵阳铁路贵州鸭池河特大桥，主桥为中承式钢-混凝土结合拱桥，计算跨径为436 m，主桥拱肋拱轴线采用悬链线提篮拱，为钢-混凝土组合结构，拱轴系数为m=3.5，中心矢高115 m，矢跨比1∶3.8，拱顶处拱肋中心距为15 m，拱脚处拱肋中心距为33.6 m，两片拱肋与铅垂面的夹角均为4.62°，拱肋均由两片中心距为4.2 m的钢桁拱及其之间的横向联接系组成(图1)。大桥主梁采用预应力混凝土箱梁，单箱三室截面，预应力采用纵、横双向预应力体系，主梁采用半漂浮体系，即主梁在拱肋横梁、拱上立柱上设置两个竖向支座，拱肋横梁与梁底间设置纵向粘滞性阻尼器，主梁横向与拱肋之间设置横向抗风支座。

鸭池河大桥主桥拱肋采用缆索吊装的方法施工，先吊装钢桁拱肋并至合龙，两浇筑结合混凝土。折除扣索和锚索后施工拱上立柱、拱圈外侧主梁，而后采用吊挂法由两侧向跨中施工中跨主梁至主梁合龙，最后为桥面工程及附属工程施工。

该桥为钢混凝土结合拱桥，从结构抗风性能的角度考虑[8]，其具有以下特点：(1)结构新颖，拱肋、主梁断面的气动力特性无现成资料可参考；(2)跨度大，固有频率低，阻尼小；(3)桥址区为峡谷地形，峡谷风效应明显，风特性复杂，现在相关规范对针对该区域的风特性描述不完善；(4)施工较为复杂，施工期悬臂长度长，频率低、结构体系多次变换。

基于ANSYS有限元分析软件，建立如图2所示的有限元模型，对处于施工阶段最大悬臂状态的结构进行动力特性计算。在对结构进行有限元离散时，对主梁、拱肋杆件、立柱及施工塔架等分别采用梁单元进行模拟，扣索、锚索采用杆单元进行模拟。计算结果见表1。

表1 最大双悬臂状态动力特性计算结果

图1 鸭池河大桥里面布置(单位：cm)

图2 最大悬臂状态计算模型

2 桥位处风场特性分析

根据设计资料，桥址工程区域处于我国梯级地势的第二级台阶-云贵高原东部，区内为典型的喀斯特高原、峡谷地貌类型。从地形分水岭到乌江及其一级支流河谷，主要发育有三级台状地形，河谷地带以峡谷地形为主。峡谷地区基本为陡峻的斜坡及峭壁地形，谷顶高程1 000～1 100 m，其中1 100～1 000 m为斜坡地形，为宽谷期地貌，1 000 m以下以陡壁地形为主，为峡谷期地貌，切深达170～300 m以上，河谷狭窄、岸坡陡峻，岩溶形态以岩溶洞穴为主，两岸溶洞及岩溶地下水成层性分布特点。鸭池河大桥桥面轨顶设计标高1 068.6 m，位于斜坡地形标高以内。根据以上资料分析可知，桥位处地表粗糙度为C类。

本文利用FLUENT商用软件，采用计算流体动力学(CFD)方法[9、10]，对贵州鸭池河桥的桥址处风特性进行了数值模拟，研究桥位处平均风速沿高度变化。建立图3的计算模型，计算与整体布置为12 km×12 km×2 km。由于气流在靠近地面位置变化最为剧烈，为了较好的模拟各物理量的变化，在高度方向采用不等间距的方式划分网格，靠近地面区域采用密网格，远离地面区域采用稀疏网格。

计算域顶面为对称边界条件，地面为无滑移壁面条件，风场计算入口处来流风速分布采用气象观测站标准场地(B类地表)对应的风速轮廓图，计算入口风速通过用户自定义函数(UDF)进行设置，风速沿高度变化按照指数规律进行设置。式(1)分别为入口平均风速沿高度变化表达式，地面10 m高处百年一遇风速取25.2 m/s。

(1)

式中：z0为参考高度，根据JTG/T D60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》取10 m；U0为10 m高度处平均风速即基准风速；z为距地面高度；α为粗糙度系数，取0.16。

(a)桥位计算区局部地表网格划分

(b)全计算域网格划分图3 数值模拟计算域

考虑桥位处的地形条件，对西南来流方向下桥面位置1/4跨、跨中和3/4跨处的的风速分布进行了模拟。数值计算结构表明，在西南方向来流的作用下(图4)，由于入口风速与河道入口平行，风剖面受地形的影响较小，保持了同入口风剖面比较接近的指数率，并且由于缺少了地形的阻挡，桥面高度处风速与来流风速相近。

根据各计算结果，对跨中处风剖面结果进行曲线拟合，对比式(1)，拟合得出粗糙度系数α=0.15，拟合优度R2=0.985 1。

图4 西南来流下风剖面

3 最大悬臂施工阶段风洞试验

3.1 试验概况

鸭池河大桥最大悬臂施工阶段风洞试验在西南交通大学XNJD-3风洞实施，该风洞为回流式，试验风速范围为1～16.5 m/s，并且风洞中配备了尖塔、锯齿挡板和粗糙元组成的大气边界层模拟装置，可以模拟出规范所要求的风速剖面、湍流度和风速谱。综合考虑桥梁结构风洞试验模型的设计要求以及风洞试验段的尺寸，将模型的几何缩尺比和风速比定义为CL=1/100和CU=1/10，根据相似条件可得频率比为Cf=10/1。试验模型见图5。

图5 最大悬臂施工阶段风洞模型

为验证试验模型的正确性，采用强迫振动法测量试验模型的固有频率，并与1节中的动力特性计算结果相比较。模型测试结果见表2。从表中可以看出，模型重要模态的频率测试值与要求值吻合良好，结构阻尼也在合理范围内，从而保证了模型结构动力特性与原型相似。

3.2 大气边界层流场模拟

根为保证试验结果的可靠性，在风洞试验的过程中需对大气边界层中的流场进行正确模拟。在本次试验中，流场模拟所考虑的相似性指标为平均风速剖面、紊流强度剖面和紊流风谱。根据第2节中桥位处风场特性分析的结果，在试验时模拟的大气边界层紊流度和紊流风谱按照C类地表进行模拟，而风剖面则按地表粗糙度系数α为0.15进行模拟。

表 2 最大悬臂施工阶段模态测试结果

采用挡板、尖塔和粗糙元等装置对大气边界层进行模拟，根据模拟指标确定粗糙元排数及其间距。其在风洞布置如图6所示。

图7～图9为大气边界层模拟所得到的模型所在位置的风剖面图(已换算到实桥)、紊流强度Iu剖面图和紊流风谱与Von Karmen 风谱及Kaimal 风谱的比较图。图7表明风洞边界层模拟的粗糙度系数α为0.15风剖面曲线与C类地表粗糙度地区的理论曲线接近。由图8可知，桥面高度紊流强度约为Iu = 15 %，扣塔65 %高度处的紊流强度约为12 %，符合C类地表粗糙度地区桥面高度处紊流度，可见试验段模拟风场的平均风速剖面及紊流强度剖面均满足试验要求。图9中模拟风谱在桥梁抖振所依赖的折算频率范围内(fz/U>10-1)与目标谱(Von Karmen谱和Kaimal谱)吻合良好。综上所述，模拟的大气边界层能够满足试验的要求，确保试验结果的正确性。

图6 大气边界层模拟装置

图7 模型位置处平均风速剖面

图8 模型位置处紊流度剖面

图9 模拟风谱与目标风谱的比较

3.3 风洞试验结果分析

分别在均匀流场和紊流场中进行试验，通过转动模型下的转盘，测得结构在来流0.5～7 m/s，风向角分别为β=0°、β=±15°、β=±30°、β=±45°时的结构响应，其中β=0°时对应的是横桥向来流。图10和图11分别为均匀流场和紊流场中悬臂端的位移响应图(已换算至实桥)。根据试验结果可以发现以下规律：

(1)从图10和图11中可以发现，无论是在均匀流场中还是在紊流场中，随着风速的增加，结构的位移响应也随之增大，但在不同流场中结构的位移响应随风速的变化曲线有显著不同。在紊流场中，位移均方根值随着风速的增大一直增大，而在均匀流场中，位移随风速变化曲线中存在着明显的“台阶”，如图10(b)中的50～60 m/s的风速区间。

(2)在均匀流场中，结构悬臂端横桥向与竖桥向位移响应随着风向角的增大先增大后减小，在风向角为0°时达到最大值，且在正风向角下的位移响应总是比其对应的负风向角的位移响应值大。

(3)在紊流场中，与在均匀流场中相同，结构悬臂端横桥向与竖桥向位移响应随着风向角的增大先增大后减小，但位移响应值在风向角为15°时达到最大值。

(4)从图中以及风洞试验可以得出，在实桥风速小于70.0 m/s的风速范围内主拱肋在各来流风向角时均未发现有明显的涡振、驰振现象。