一种对称A型桥塔抗风性能研究

谢瑜轩 冉芸诚 董长甜

为研究并行双幅斜拉桥对称A型桥塔自立状态下的动力抗风性能，文章以某大跨度斜拉桥为背景，通过开展气弹模型风洞试验，研究了该种桥塔在均匀流和紊流下的风致响应及特性。结果表明：均匀流场下，桥塔未发生驰振，且考虑实际桥位相比风洞更大的紊流度，桥塔发生涡振的可能性较小;紊流场下，桥塔迎风侧和背风侧的抖振位移顺桥向均较大，两者差异很小，通过机械措施增大结构阻尼，能有效抑制抖振位移。研究结果可为类似桥塔施工自立状态的抗风安全设计提供参考。

对称A型桥塔; 抗风性能; 风洞试验; 机械措施

U441.3   A

[定稿日期]2021-07-06

[作者简介]谢瑜轩（1994～），男，在读硕士，研究方向为桥梁风工程;冉芸诚（1997～），男，在读硕士，研究方向为桥梁风工程;董长甜（1998～），男，在读硕士，研究方向为桥梁风工程。

桥塔是斜拉桥结构体系的重要组成部分，对于斜拉桥而言，随着桥梁跨度的增大，桥塔的高度也会相应增高，其阻尼和刚度则会减小，桥塔的风致振动可能会成为设计、施工的控制因素之一;尤其是当桥梁在施工阶段时，桥塔缺少拉索的约束而处于刚度与阻尼较小的自立状态（裸塔），作为一种细高柔结构，桥塔对风的作用更为敏感，桥塔的抗风性能将成为设计选型的重要因素之一。桥塔自立状态风致振动主要表现为涡振、驰振与抖振。其中涡振对于结构虽然不会直接破坏结构，但是其具有起振风速低、频度大的特点，可能会造成桥塔的疲劳损伤，進而可能形成一种施工隐患。桥塔自立状态一般具有足够的驰振稳定性。桥塔的抖振是一种限幅振动，一般不会像颤振那样引起灾难性的破坏。但是较大的抖振响应会对桥梁其他结构的施工造成影响，如主梁和拉索的施工，甚至会危及施工人员和机械设备的安全。因此对于桥塔在施工阶段发生的抖振问题不能忽视。

本文以某大跨度并行曲面钢箱梁斜拉桥为背景，设计开展自立桥塔气弹模型风洞试验，分别研究了桥塔在均匀流风场和紊流风场下的风致响应，为同类型桥梁的抗风研究提供参考。

1 风洞试验

1.1 工程背景

本研究依托的工程背景为四川遂宁涪江六桥初步设计方案，该桥为双塔五跨的斜拉桥，全长748 m，其中主跨长为328 m，边跨长210 m，桥型布置如图1所示。该方案的桥塔结构图如图2所示。为了确保四川遂宁涪江六桥桥塔在施工自立阶段（裸塔）的抗风安全，特地对桥塔的抗风性能进行了较为系统的模型风洞试验研究。本文主要介绍1∶60缩尺比桥塔自立气弹模型在0～90°风向角条件下风洞试验研究的内容和结果，主要包括均匀流中桥塔的涡激振动性能，驰振性能以及紊流场中的抖振响应。

根据JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》[1]，该桥位于开阔的江面上，符合规范中对B类地表状况的描述，按B类地表选取地表粗糙度系数α=0.16，地表粗糙高度z0=0.05。

据上述设计基本风速和和最新的JTG/T 3360-01-2018《公路桥梁抗风设计规范》中的有关规定4.2.6-1，桥梁的设计基准风速为：

Vd=kfV10zz10α

式中：z表示跨中桥面离开水面的高度，kf为抗风风险系数，当24.5<V10<32.6时，kf的取值为1.02;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=26.3 m/s;α为幂指数。取α=0.16。桥塔三分之二高度处距离水面高度按平均水位计算为73.34 m，则桥塔处的设计基准风速为：Vd=36.89 m/s，驰振检验风速为：Vs>1.25Vd=46.11 m/s。

1.2 试验参数

桥塔的气动弹性模型与全桥气弹模型中的桥塔保持一致，其刚度和质量严格按照相似关系进行设计和制作。在安装完成后，其面内和面外弯曲振动频率能够较好满足设计要求，如表1所示。同时为增加其阻尼比（钢结构阻尼比一般为0.5 %），采用了在外模接缝处辅以无刚性胶带条方法。

试验在西南交通大学XNJD-3风洞第一试验段进行。该试验段风速范围为1～20 m/s，能够满足桥塔气弹模型的阻塞度要求和风速范围要求;配备的转向装置也能满足0～90°风向角（10°为一个间隔）的要求。同时，为了考察两个塔柱的干扰效应，分别针对迎风侧和背风侧两个塔柱安装了两个激光位移计，记录两个塔柱的位移。

试验分别在均匀流和紊流条件下进行，以分别在10个风向角下考察结构的涡振、驰振和抖振响应。试验时，以桥面为参考，将横桥向来风定义为0°风向角，将顺桥向来风定义为90°风向角，如图3所示。

2 均匀流风洞试验

均匀流自立桥塔气弹模型风洞试验如图4所示：

图5和图6分别给出了0°风向角和10°风向角下桥塔涡振位移随风速的变化曲线。

在顺桥向阻尼比0.5 %，横桥向阻尼比1 %的条件下，在均匀流中，只有0°和10°风向角工况下桥塔出现了较为明显的涡激振动响应。从图5和图6可以看出，0°风向角下的起振风速为20 m/s，振幅达到96 mm;10 °风向角下的起振风速为16 m/s，振幅达到47 mm。在其余风向角下未观察到明显的涡激振动。此外，在0°到90°范围内，在驰振检验风速范围内，未发现桥塔发生驰振现象。

考虑到实际桥位处紊流度在10 %左右，且钢桥塔桥塔的整体阻尼一般高于规范要求的0.5 %，因此实际条件下桥塔发生涡激共振的可能性比较小。

3 紊流风洞试验

紊流自立桥塔气弹模型风洞试验如图7所示：

图8和图9分别给出了0°风向角和10°风向角下桥塔抖振位移随风速的变化曲线。

从图8和图9可以看出，在顺桥向阻尼比0.5 %，横桥向阻尼比1 %的条件下，紊流中，桥塔在不同风向角下都发生了显著的抖振，抖振位移随风速的提高而增大。抖振位移随风向角的变化如表2所示。

從表2可以看出，桥梁在横桥向未发生明显的位移，顺桥向位移在0°风向角时最大，为36.3 mm，最小抖振位移出现在80°风向角条件下，为29.8 mm。

此时无论是迎风侧塔柱还是背风侧塔柱，两者的抖振位移差异很小，因此可认为两个塔柱之间没有显著的干扰效应，且桥塔的整体刚度较好。从中也可以看出，两个塔柱的顺桥向位移较大，且差异很小。桥塔横向位移则相对较小。同时，在不同的风向角条件下未观察到桥塔有明显的涡激振动。

4 机械措施

如前文所述，考虑到实际桥位处紊流度在10 %左右，且钢桥塔的整体阻尼一般高于规范要求的0.5 %，因此实际条件下桥塔发生涡激共振的可能性比较小。前文的风洞试验表明在紊流风场中，桥塔在各个风向角下都容易发生显著的抖振响应，针对该现象，采取机械措施，即提高桥塔结构的阻尼比来优化桥塔在紊流风场中的抖振响应。同样采取在外模接缝处辅以无刚性胶带条的方法来提高桥塔结构的阻尼比。具体工况如表3所示：

通过图10可以明显看出，在增加了结构的阻尼比后，两个风向角下桥塔顺桥向下的抖振响应位移有明显的降低。0°风向角下背风侧桥塔的抖振响应位移在提升阻尼比后由36.3 mm降低至32 mm，迎风侧桥塔的抖振响应位移也同样降低。10°风向角下两侧桥塔的抖振响应显著降低，最大位移仅有24 mm。同样的，在增加桥塔结构阻尼比的过程中，无论是迎风侧塔柱还是背风侧塔柱，两者的抖振位移差异也很小，桥塔横桥向也未发生明显的位移响应。

5 结论

本文通过某跨江大桥自立桥塔的风洞试验，探究其抗风特性，主要得出了以下结论：

（1）在均匀流中，只有0°和10°风向角工况下桥塔出现了较为明显的涡激振动响应。0°到90°风向角下，在驰振检验风速范围内，未发现桥塔发生驰振现象。

（2）在紊流中，桥塔在不同风向角下都发生了显著的抖振，抖振位移随风速的提高而增大。

（3）无论是迎风侧塔柱还是背风侧塔柱，两者的抖振位移差异很小，因此可认为两个塔柱之间没有显著的干扰效应，且桥塔的整体刚度较好。从中也可以看出，两个塔柱的顺桥向位移较大，且差异很小。桥塔横向位移则相对较小。

（4）在增加了结构的阻尼比后，两个风向角下桥塔顺桥向下的抖振响应位移有明显的降低。

参考文献

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