钢管-钢管混凝土复合桥塔抗风性能试验研究

黄玮

（1.福建省建筑科学研究院有限责任公司，福州 350108；2.福建省绿色建筑技术重点实验室，福州 350108）

0 引 言

现代桥梁结构往长、细、轻、柔与低阻尼的方向发展，使之对风作用更加敏感，气动弹性问题已成为大跨度及超大跨度桥梁强度、刚度和稳定性抗风设计的制约因素［1］。福建某海岛桥采用（80+150+80）m异型主塔部分斜拉桥，选用造型独特的钢管-钢管混凝土复合主塔结构，钢管之间采用多层弧形钢管进行加劲，同时钢管作为斜拉索的贯通管道，如图1所示。主梁采用两个分离式的单箱双室预应力混凝土箱梁结构，全桥宽46 m。桥址位于海岛强风区，年平均风速6.9 m/s，全年大风（7级以上）日数为125 d，全年大于等于8级风力的天数为84.5 d，热带风暴年平均6.3次［2］。本桥采用贝壳形钢管-钢管混凝土桥塔，且桥位于海岛强风区，因此必须进行抗风性能分析。

图1 大桥主桥立面图和断面图（单位：cm）Fig.1 Elevation and cross section of main bridge（Unit：cm）

采用钢管-钢管混凝土复合桥塔结构可减轻桥塔自重，设计出更轻盈多样的结构造型，为保证新型桥塔抗风自立状态的抗风安全，对其开展抗风性能研究［3-4］。目前大跨度桥梁抗风研究主要采用4种方法，即理论分析、风洞试验、现场实测和数值风洞研究［5-6］。分别进行桥塔有限元理论分析，并制作桥塔气弹模型通过表面测压、测力、测振及测速方法研究该类风荷载及抗风性能。常见风致振动主要有颤振、涡激振动、抖振、驰振和斜拉索风雨振［7］。本桥主塔采用钢管-钢管混凝土复合主塔结构，材料为Q345-D内填充C40微膨胀混凝土，塔柱分为5根塔柱，与混凝土塔座之间完全固结，如图2所示。由于塔柱截面为直径1.5 m的圆形，因此不会产生颤振［8］，风洞试验将对涡振、驰振、抖振进行逐一分析。

图2 塔柱大样图（单位：cm）Fig.2 Detail section of column（Unit：cm）

1 动力特性分析

桥塔自立状态结构动力特性分析模型如图3所示，分析结果如表1所示。桥塔顺桥向一阶弯曲振动频率为0.282 5 Hz，桥塔横桥向一阶弯曲振动频率为0.302 8 Hz。主塔采用节段工厂加工、现场吊装拼接施工，鉴于桥塔造型限制，主塔施工采用梁上搭设满堂支架对称施工，有助于增加桥塔施工工程中的动力稳定性。在施工阶段中，桥塔处于双悬臂状态，最后一段钢管吊装拼接前为最不利施工状态。

表1 桥塔振动前10阶模态动力特性Table 1 Dynamic characteristics of pylon

图3 桥塔MIDAS模型图Fig.3 MIDAS model of pylon

2 风洞试验

根据《公路桥梁抗风设计规范》（JTG 3360-01—2018）（以下简称《抗风规范》）附录A.3，该地区的10 m高度处百年一遇的风速为42.40 m/s，即U10=42.40 m/s。根据相关图纸，桥塔基准高度Z偏于安全取为46.04 m。根据《抗风规范》桥塔设计基准风速Ucd为

根据《抗风规范》第7.3.5条，桥塔自立状态驰振检验风速为

2.1 桥塔气弹模型

在气弹模型设计、制作中，不仅要模拟几何尺寸，还要模拟气动弹性特性。气弹相似性可以用几个无量纲参数来表示，如Reynolds数、Froude数、Strouhal数、Cauchy数、密度比和阻尼比等，模型缩尺比为1∶100，除了Reynolds数和Froude数外，均得到了严格模拟。选用实心铜管来模拟桥塔的刚度，通过尺寸参数的调整满足桥塔塔柱顺桥向刚度和横桥向刚度相似要求，通过铅皮配重来补充质量相似，如图4所示。桥塔通过固结方式焊接在基座上，基座与测力天平通过螺栓连接，基座与风洞地板通过转接件螺栓连接，从而形成桥塔固结。桥塔底端两个ATI六分量天平用于测量桥塔在来流作用下的受力情况；桥塔的顺桥向和横桥向的最外沿布置了激光位移计测点，用于测量桥的横向振动和纵向振动。频率和阻尼比误差小于2%。

图4 桥塔气动弹性模型Fig.4 Aeroelastic model of pylon

2.2 试验结果

考虑到桥塔自立状态风可能从不同方向吹来，在进行风洞试验时分别考虑了风偏角从0°到90°以5°为步长增加的情况，共19个工况，并规定风偏角0°时对应顺桥向吹风工况；风偏角90°时对应横桥向吹风工况。试验风速从5 m/s以1 m/s为步长增加到15 m/s，15 m/s对应的实际风速为93.75 m/s，远超驰振检验风速。

测量得到了桥塔自立状态均匀流场和紊流场不同风偏角下，桥塔塔顶顺桥向受力响应平均值及均方差随风速变化曲线，详见图5、图6所示。试验结果显示，试验过程中桥塔受力和风速基本呈现线性递增的关系，未观测到桥塔明显的涡激共振现象和驰振现象。

图5 均匀流场顺桥向合力平均值和均方根值Fig.5 Responses of pylon in uniform flow field

图6 紊流场顺桥向合力平均值和均方根值Fig.6 Responses of pylon in turbulent flow field

测量得到了桥塔自立状态均匀流场和紊流场不同风偏角下，桥塔塔顶顺桥向位移响应平均值及均方差随风速变化曲线，详见图7、图8所示。试验结果显示，均匀流场桥塔自立状态位移和风速基本呈现线性递增的关系，未发生明显的涡激共振现象和驰振现象；紊流场桥塔自立状态也未发生明显的涡激共振现象和驰振现象，抖振位移均方根值也较小。

图7 均匀流场顺桥向位移平均值和均方根值Fig.7 Displacements of pylon in uniform flow field

图8 紊流场顺桥向位移平均值和均方根值Fig.8 Displacements of pylon in turbulent flow field

从表2中响应可以得出：桥塔设计风速Vcd=62.78 m/s时，当风沿顺桥向（即风偏角β=0°）作用下，桥塔塔顶顺桥向位移平均值为1.361 9 mm，塔顶顺桥向位移根方差为1.403 1 mm；塔顶横桥向位移平均值为0.046 1 mm，塔顶横桥向位移根方差为0.158 6 mm。实桥桥塔最大位移相当于0.140 31 m，振幅相对较小。

表2 紊流场典型风偏角下桥塔风致振动响应Table 2 Responses of main bridge turbulent flow field

当风沿横桥向（即风偏角β=90°）作用下，桥塔塔顶顺桥向位移平均值为-0.056 6 mm，塔顶顺桥向位移根方差为0.256 0 mm；塔顶横桥向位移平均值为1.240 1 mm，塔顶横桥向位移根方差为1.274 6 mm。实桥桥塔最大位移相当于0.127 46 m，振幅相对较小。

3 结论

通过对该桥桥塔自立状态的抗风性能研究，可以得出如下主要结论：

（1）计算得到桥塔自立状态设计风速和驰振检验风速，桥塔自立状态设计风速为62.78 m/s，驰振检验风速约为75.33 m/s。

（2）桥塔动力特性分析结果：桥塔一阶顺桥向弯曲振动频率最低，桥塔顺桥向一阶弯曲振动频率为0.282 5 Hz；桥塔横桥向一阶弯曲振动频率为0.302 8 Hz；桥塔一阶扭转振动频率为0.496 8 Hz。

（3）均匀流场和紊流场中，桥塔自立状态风洞试验结果表明：试验过程中未观测到桥塔明显的涡激共振和驰振现象，抖振位移均方根值较小。

（4）由于均匀流场中桥塔自立状态风洞试验中未发现明显的涡激共振和驰振现象，紊流场中桥塔抖振响应也很小，因此无须设置永久性减振措施；但由于桥塔在顺桥向上“头宽脚窄”，建议在施工过程中增加临时性的辅助索，增强桥塔在顺桥向方向的刚度和稳定性。