单索面大跨悬索桥涡激振动风洞试验及其气动优化

2018-09-14马跃腾

四川建筑 2018年4期

马跃腾

(南宁市富申建设投资有限责任公司，广西南宁 530299)

1 概述

单索面悬索桥由于造型美观，结构新颖，在城市跨江桥梁上得到越来越广泛的应用。但这类桥梁由于扭转刚度小、阻尼低，是风致振动的敏感结构，而市政桥梁断面往往设置了较高的人行道，使得桥梁断面抗风性能恶化，更容易在风的作用发生较大振幅的涡激振动和导致桥梁破坏的颤振。

本文以南宁市某座大跨单索面悬索桥为研究对象，通过风洞试验，研究了该桥的抗风性能。该桥主桥桥型采用单主缆悬索桥,跨度组合为45 m+410 m+45 m，桥塔为钢混组合，主梁为钢箱梁，如图1所示。大桥的抗风设计取100 a重现期，桥面距离水面的高度为32 m，该桥主梁高度处设计基本风速为30.1 m/s。

(a) 立面

(b) 桥梁纵断面

图1 桥型布置

2 主梁节段模型涡激振动试验及气动外形优化

2.1 风洞试验模型

本文主要利用节段模型风洞试验进行研究，模型缩尺比为1∶50，模型长L=2.095m，宽B=0.76m，高H=0.07m，宽高比L/B=2.86。为控制模型的质量及质量惯矩，并保证模型自身具有足够刚度，模型采用优质木材及塑料板制作。桥面防撞护栏、垫石、扶手栏杆、检修轨道等附属构件均采用工程塑料由数控雕刻机制作而成。试验在西南交通大学XNJD-1工业风洞第二试验段中进行，该试验段设有专门进行桥梁节段模型动力试验的装置。涡振试验所采用的模型与颤振试验相同。节段模型由8根拉伸弹簧悬挂在支架上(图2)。由于涡激共振的发生不依赖于弯扭耦合机制，因而对模型系统无扭弯频率比的要求。鉴于涡振通常发振风速较低，为降低模型风速比，采用刚度较大的弹簧以提高模型的自振频率。试验中模拟了成桥状态和100 %吊装施工状态。试验阻尼比分别按0.3 %和0.5 %设置，如表1所示。

图2 动力节段模型照片

表1 动力模型试验参数

根据《公路桥梁抗风设计规范》，成桥状态一阶对称竖弯、扭转涡激共振的振幅容许值分别为：

竖向[ha]=0.04/fh=0.04/0.2887=0.137m

扭转[θα]=4.56/fαB=4.56/(0.6609×38)=0.182°

2.2 原设计方案涡激振动试验结果

图3为试验时成桥状态主梁断面图，图4为原方案的竖向及扭转风致振动曲线，试验选取阻尼比为0.3 %。试验结果显示，在成桥状态下，-5°及-3°攻角未发现明显的涡激振动；0°、+3°及+5°攻角均发现了明显的竖向以及扭转涡激振动现象，其中+3°及+5°攻角情况涡激共振现象较为严重，且远远超出了规范要求值。

图3 原设计桥梁断面

但是，该桥的试验结果表明，当风速小于20 m/s和25 m/s时，有四个模态可能出现较大振幅的竖向涡激振动。在16 m/s风速左右，第一扭转振型出现扭转涡激振动。+3°攻角情况下，出现了第二扭转涡振区，风速为32～35 m/s出现第二个扭转涡振区。

根据英国BS5400规定，当涡激振动的风速大于20 m/s时，抖振振幅大于涡激振动，因此不再考虑大于20 m/s时涡激振动的振幅。另外，根据我国桥梁通行的有关规定，当风速大于25 m/s时，桥梁限制通行，因此不会造成影响。因此，本桥关注的重点是小于25 m/s出现涡激振动的情况。从图可以看出，该桥的涡振性能均不满足要求，必须根据该桥的具体情况，通过风洞实验，对该桥的主梁断面形式进行气动优化，以消除潜在的涡激振动的危险。