大攻角条件下大跨径斜拉桥抗风性能试验研究

罗荣志

摘要：我国沿海及西南地区风力较大，大跨径桥梁在风的静力作用下会产生较大的、不均匀分布的扭转变形，对桥梁寿命及车辆行驶安全性造成较大的影响。文章为研究风力作用下大跨径斜拉桥的抗风颤振性能，基于弹簧悬挂阶段模型试验开展了大攻角条件下大跨径斜拉桥抗风性能试验研究。研究结果表明，不同攻角条件下桥梁出现了两类不同的颤振现象：小攻角下的发散型弯扭耦合颤振现象和大攻角下的自限幅非线性颤振现象。研究成果可为我国桥梁抗风设计提供一定的依据。

关键词：桥梁工程;抗风性能;大攻角;桥梁颤振;模型试验

中图分类号：U448.27文献标识码：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.039

文章编号：1673-4874（2021）01-0143-03

0引言

我国沿海及西南地区风力较大，大跨径桥梁在风的静力作用下会产生较大的、不均匀分布的扭转变形，对桥梁寿命及车辆行驶安全性造成较大的影响[1-3]。因此，研究大跨径桥梁在风力作用下产生的颤振现象对于评价桥梁抗风性能、优化桥梁抗风设计方案和保障桥梁安全性具有重要的意义。

为研究风力作用下桥梁的风力响应特征，葛耀君等重点研究橋梁抗风稳定中的结构颤振强健性的评价问题，并提出利用4个随机变量表示的颤振安全域度随机模型;该模型是基于等效中心点法获得颤振强健性的可靠指标、失效概率以及重现时间;进一步的，葛耀君等利用所提出的新型颤振强健性评价方法对4座完工的和4座规划中的大跨径桥梁展开了强健性分析，并取得了良好的评价效果[4]。阮惠强等学者对悬索桥的风致振动现象展开了深入研究，提出了一种新型的、可替代风洞模型试验的计算方法，并根据《公路桥梁抗风规范》中的相关规定对桥梁的抗风稳定性能进行了验证[5]，该计算方法能够在一定程度上节约桥梁工程的工期与造价。董芳路等指出近年来我国桥梁风害问题愈发严重，在深入分析了风致振动的多种振动类型的基础上，进一步探讨了风力对桥梁的危害，明确分析风力致害的破坏机理并提出了一系列预防应对措施[6]。王骑等基于室内实验，以薄平板为研究对象，采用强迫振动性风洞试验测试方法，展开了4个不同攻角（0°、3°、5°和7°）条件下桥梁的颤振试验研究，并进一步对颤振导数进行了测试与分析[7]。

上述研究成果多集中于小跨径桥梁或很少考虑风力攻角尤其是大攻角对桥梁风力结构响应特征的影响，本文基于室内桥梁节段风洞试验，深入研究了不同风速、不同风力攻角条件下桥梁的颤振性能和风力响应特征，研究成果可为我国桥梁抗风设计提供一定的依据。

1模型试验

1.1模型设计

本次试验研究主要内容为大跨径斜拉桥抗风性能，研究对象为某跨径为1400m的闭口箱梁桥。其中，箱梁的风嘴角度为40°，且附有一宽度为1.50m的导流板，以改善桥面的颤振性能。桥梁断面如图1所示。采用弹簧悬挂刚体节段展开风洞试验，桥梁模型总长度为1.400m，宽度为0.467m，高度为0.045m。试验模型的几何缩尺为λ_L=1/90，试验风速比为λ_L=1/8。此外，为保证在不同攻角风条件下桥梁的二维均匀性，在模型两端设置了能够遮蔽桥梁断面的大端板。

1.2风洞试验设计

为研究不同攻角条件下桥梁的抗风颤振性能，本次试验研究共设计了2°、4°、6°、8°及10°共计5组试验，以对比获得桥梁颤振性能与风力攻角之间的具体关系。风洞模型试验采用同济大学TJ-1大气边界风洞试验设备，最大试验风速可达32m·s^-1。模型系统的振动参数如表1所示。

2试验结果分析

2.1大跨径斜拉桥颤振现象特点

根据风洞试验结果，不同风力攻角条件下桥梁的颤振后扭转位移曲线表现出不同的变化趋势。典型桥梁颤振后扭转位移时程图如图2所示，其是风力攻角2。、4。和10。条件下桥梁的扭转位移时程图。由图3可知，节段模型风洞试验条件下，随着风力攻角的变化，桥梁的颤振模式可以划分为两种模式：小风力攻角下的常规发散型弯扭耦合颤振现象和大风力攻角下的自限非线性颤振现象。

根据经典线性颤振理论[8-10]，桥梁发生颤振前后阻尼简谐振动的瞬时扭转振幅的表达式如式（1）所示：

a_t（t）=φe^{（-ξ+i）wt}（1）

式中：a_t（t）——瞬时扭转振幅;

φ——复模态振动振幅;

ξ——模型系统总阻尼比。

依据式（1）可知，桥梁颤振后的振动振幅与时间的变化关系应当接近于正指数函数曲线关系，否则应为非线性颤振。结合桥梁的颤振后扭转位移曲线，对振幅试验结果进行拟合得到拟合曲线，并将其与实测数据进行对比得到误差曲线。由图2（a）可知，在风力攻角为2°条件下，实测曲线与拟合曲线之间的对应性较好，误差曲线整体呈波动状态，因此，在风力攻角为2°时桥梁整体呈常规发散型弯扭耦合颤振。随着风力攻角增大，当风力攻角为4°时，且风洞模型试验持续推进，实测数据与拟合结果之间的误差产生了一定的变化：在试验时间为10s内时二者对应性较高，误差曲线平稳;而试验时间超过10s后误差曲线不断增大且增长速度逐渐变大。由此可见，风力攻角为4。时桥梁整体呈自限非线性颤振现象。进一步分析风力攻角为10°条件下桥梁的颤振现象，发现误差曲线随着时间不断呈指数型增长，因此可以得出攻角为10°条件下桥梁整体亦呈现出自限非线性颤振现象。综上所述，在小风力攻角下（2°），桥梁表现出常规发散型弯扭耦合颤振，而大风力攻角下（4°～10°），桥梁呈现出弯扭耦合程度较弱的自限幅非线性颤振现象。

2.2大攻角下的非线性颤振现象

为研究大攻角条件下（4°～10°）桥梁的风力响应特征，统计得出不同大攻角下扭转移均方根随风速的变化关系如图3所示。由图可知，在大攻角节段风洞模型试验中，桥梁节段均产生了一定程度的自限幅非线性颤振现象。在相同风速条件下，随着攻角逐渐增大，桥梁的扭转位移亦逐渐增大，攻角对桥梁的颤振现象影响明显。

风速也是影响桥梁变形与安全性能的重要因素[11-12]，因此需要进一步分析风速对桥梁颤振现象的影响。由图3可知，在低风速时，桥梁的颤振以扭转涡振为特征，扭转位移均处于较小且较稳定的状态;而随着风速的增加，各大攻角下的桥梁节段均发生了较大振幅的扭转。此外，大攻角条件下桥梁受风速影响更为明显。当攻角为2°时，桥梁在风速为7.2m/s时才产生明显的自限幅振动;而攻角为10°时，当风速仅达到3.5m/s时桥梁节段便出现了自限幅非线性颤振现象。不同攻角下桥梁颤振临界风速分别为7.2m/s、7.0m/s、5.2m/s和3.5m/s。由此可见，攻角对于桥梁的颤振现象有着较大的影响，攻角越大，颤振越明显，桥梁越容易遭到损伤破坏。

3结语

为研究大攻角条件下大跨径斜拉桥抗风性能，本文在室内展开了不同风速、不同风力攻角条件下的桥梁节段模型风洞试验，得出主要结论如下：

（1）节段模型风洞试验条件下，随着风力攻角的变化，桥梁的颤振模式可以划分为两种模式：小风力攻角下的常规发散型弯扭耦合颤振现象和大风力攻角下的自限非线性颤振现象。

（2）随着风速的增大，桥梁的扭转位移也逐渐增大，这表明风力越强，桥梁越容易遭到破坏。

（3）大攻角条件下，桥梁均产生了一定的非线性颤振现象。且风力攻角越大，颤振现象越明显。

参考文献

[1]吴斌峰，王波，田磊.大跨度桥梁抖振性能的数值模拟研究M.交通世界，2020（11）：133-135.

[2]吴斌峰，郭敏，乔新宇.大跨度桥梁的抗风措施研究[J].建筑技术开发，2020，47（7）：127-128.

[3]陈强，张明金，严乃杰.三塔大跨斜拉桥风致响应研究[J].四川建筑，2019，39（6）：213-216.

[4]葛耀君，夏青，赵林.大跨度桥梁的抗风强健性及颤振评价[J].土木工程学报，2019，52（11）：66-70，119.

[5]阮惠强，马萍.一种中小跨径（≤200m）悬索桥抗风稳定性验算方法[J].四川水泥，2019（8）：148-149.

[6]董芳路，风致振动对桥梁结构的危害及防护措施[J].住宅与房地产，2019（16）：274.

[7]王骑，李郁林，李志国，等，不同风攻角下薄平板的颤振导数[J]，工程力学，2018，35（10）：10-16.

[8]盖相宇，大跨径悬索桥软颤振临界风速确定方法[D].西安：长安大学，2019.

[9]姜保宋，周志勇，唐峰，桥梁颤振临界风速的概率密度演化计算[J]，哈尔滨工业大学学报，2020，52（3）：59-67.

[10]馬婷婷，基于桥梁节段模型的颤振稳定性参数分析[J]. 结构工程师，2019，35（6）：69-75.

[11]夏飞龙，王林凯，刘志文，等，识别桥梁断面颤振临界风速的一种新方法[J].公路，2019，64（8）：59-65.

[12]祝志文，顾明，快速预测大跨度桥梁颤振临界风速的CFD-AM-CSD方法[J].土木工程学报，2014，47（7）：88-96.