风屏障对扁平箱梁气动稳定性的影响

2020-06-05喻宝金乔张旺付丽

中外公路 2020年2期

喻宝金，乔张旺，付丽

(江西省交通工程集团有限公司，江西南昌 330000)

由于特殊地理位置因素及现代交通大力发展的需要，大跨度桥梁越来越多地被设计师们采用，扁平钢箱梁是此类桥型的重要主梁形式之一。国外已建成通车的几座有代表性的大跨桥梁，如1981年建成的主跨为1 410 m的亨伯大桥；1996年建成的主跨为1 624 m的大贝尔特桥。中国自20世纪90年代开始，先后建成江阴长江大桥、润扬长江大桥、苏通长江大桥及舟山西堠门大桥，其中，舟山西堠门大桥是中国国内最大跨径悬索桥，且跻身世界同类型桥梁跨度排名前三甲。

跨海跨江大桥及山区峡谷桥梁，桥址处风环境复杂，桥面高度处风速远远大于地面常遇风速。为保障桥上车辆的行车安全性及舒适性，设计者们往往会采取加设风屏障等措施，而扁平钢箱梁悬索桥或斜拉桥，因其自身刚度小、跨度大等特点，其气动稳定性对结构外形极其敏感。

已有学者对风屏障的防风作用做了一定的研究。如李波等采用数值模拟的方法，研究了防风栅对高速列车的挡风作用；何玮等采用风洞试验与数值模拟相结合的方法，研究了在桥上设置不同高度风屏障后车-桥系统的气动参数及桥面周围风环境；黄斌等利用风洞试验的手段，研究了跨海大桥桥面风环境，对比验证了加设风屏障后桥面风环境的优化效果。以上研究主要针对的是风屏障对车-桥系统的气动参数或桥面风环境，而对于桥梁的气动稳定性研究较少，因此，该文所做研究较为必要。

该文以中国国内某大跨悬索桥为工程背景，建立三维有限元模型，计算其动力特性，并依此采用节段模型风洞试验手段，研究不同开孔形式的风屏障对主梁气动稳定性的影响。

1 工程背景及桥梁动力特性

某大跨钢箱梁悬索桥跨度布置为(290+1 160+402) m=1 852 m，桥面宽34.7 m，布置双向六车道，主梁高2.8 m，主梁采用流线形钢箱梁。其整体布置及主梁横截面如图1所示。

图1 某大跨钢箱梁悬索桥型图(单位：m)

该桥所处河段两岸为低山丘陵地区，河道呈东南走向，平面形态顺直，尾部微弯，南岸为丘陵及山麓斜坡堆积地貌，北岸为丘陵与长江阶地地貌，桥址处属于B类地表。桥位处离地面10 m高，重现期为100年10 min平均最大风速为31.5 m/s，即设计基本风速为31.5 m/s，颤振检验风速为59.3 m/s。

利用大型有限元软件Ansys建立三维桥梁模型，并计算其动力特性，结果如表1所示。

表1 成桥状态动力特性计算结果

基于人体舒适度及行车安全性的考虑，涡激振动振幅的限制值，参考JTG/T D60-01-2004《公路桥梁抗风设计规范》中第7.2.6条，主梁涡激振动振幅须小于规定的容许值，其容许值如下：

主梁竖向涡振振幅容许值：

[ha]=0.04/fh=0.279 m

主梁扭转涡振振幅容许值：

[θa]=4.56/(Bft)=0.376°

式中：B为主梁宽度；fh、ft分别为结构竖弯、扭转基频。

2 试验概述

不同开孔形式风屏障的防风效果有所区别，为考察风屏障的开孔形式对主梁气动稳定性的影响，设置条形孔及圆形孔两种形式(透风率相同)风屏障，对比原方案(无风屏障)进行风洞试验。风屏障开孔形式如图2所示。试验采取缩尺比为1∶50的节段模型，由8根拉伸弹簧悬挂在支架上，形成可竖向运动和绕模型轴线转动的二自由度振动系统。试验支架置于洞壁外，以免干扰试验流场，来流为均匀流，选取+3°、0°和-3°共3个攻角，共3(攻角)×3(模型)=9种试验工况。

图2 风屏障开孔形式

3 试验结果及分析

3.1 颤振试验

大跨度流线形箱梁桥梁，虽然其跨越能力较大，优势明显，但其气动稳定性问题较其他主梁类型的桥梁更为突出。风对其造成的病害是多方面的，其风致振动形式亦多种多样，有颤振、驰振、抖振及涡振4种主要形式，其中最为致命的当属风致颤振。颤振是一种可能发散的自激振动，著名的塔科马大桥风毁事故就是由于桥梁发生颤振失稳导致的。

各攻角下3种方案的颤振试验结果如表2所示。