劉志文　洪涵　梁立農　萬志勇　薛亞飛　陳政清

摘要：采用風洞試驗和CFD數(shù)值模擬相結合的方法對主跨700 m的廣東江順大橋主橋結構抗風性能進行研究，包括主梁、橋塔氣動參數(shù)試驗與CFD模擬、主梁1/60幾何縮尺比節(jié)段模型測振試驗、主梁1/25幾何縮尺比節(jié)段模型渦振試驗、全橋氣彈模型試驗研究等.結果表明：該橋在成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)具有足夠的抗風穩(wěn)定性，在設計風速下渦振性能和抖振響應性能均滿足規(guī)范要求；大比例主梁節(jié)段模型得到的渦振振幅小于常規(guī)比例節(jié)段模型得到的渦振振幅，表明采用常規(guī)比例模型進行橋梁主梁渦振性能評估是偏于保守的.

關鍵詞：斜拉橋；風洞試驗；計算流體動力學；抗風性能

中圖分類號：U448.27 文獻標識碼：A

隨著橋梁跨度的增大，其自振頻率、阻尼比等不斷降低，橋梁結構對風作用更加敏感，甚至成為大跨度橋梁設計的控制因素＼[1＼].陳艾榮等針對主跨1 088 m的蘇通長江公路大橋的超長索對大橋結構動力特性的影響、超大跨度斜拉橋主梁渦振性能以及超大跨度斜拉橋氣動穩(wěn)定性和風荷載等進行了研究.研究表明：超大跨度斜拉橋斜拉索振動對主橋結構動力特性的影響不容忽視；千米級斜拉橋雖然具有足夠的顫振穩(wěn)定性，但其顫振形態(tài)表現(xiàn)為索面、梁側向振動與主梁彎扭顫振的耦合振動形態(tài)；主梁檢修車軌道位置對主梁渦振性能影響較大，建議采用大幾何縮尺比模型風洞試驗進行驗證＼[2＼].Akiyama Haruki針對主跨890 m的多多羅大橋抗風性能進行了研究，分別進行了主梁節(jié)段模型試驗（幾何縮尺比1/45）、橋塔自立狀態(tài)氣彈模型試驗和全橋氣彈模型試驗研究（幾何縮尺比分別為1/70和1/200，1/200全橋氣彈模型考慮了周邊地形的影響）.研究表明：多多羅大橋成橋和施工狀態(tài)顫振穩(wěn)定性均滿足要求，未觀測到明顯的索梁耦合振動現(xiàn)象；主梁渦激振動可以忽略，未采取相應控制措施；設計風速下風致抖振響應滿足要求＼[3＼].國內多位學者針對大跨度斜拉橋抗風性能進行了風洞試驗研究＼[4-9＼].閉口流線型箱梁斷面的渦振性能雷諾數(shù)效應也是國內外學者關注的重點.G. Schewe和A. Larsen在壓力風洞中對丹麥大海帶東橋主梁斷面進行了渦振試驗研究，研究顯示影響主梁渦振的重要參數(shù)斯克拉頓數(shù)SC在雷諾數(shù)為8×104～4×105之間隨著雷諾數(shù)的增加而增加，認為采用小尺度的風洞試驗換算到實橋進行抗風設計是偏于保守的＼[10＼].A. Larsen等針對香港昂船洲大橋的主梁斷面進行了幾何縮尺比分別為1∶80和1∶20兩種模型試驗研究，結果顯示不同幾何縮尺比模型渦振響應存在差異，因此采用傳統(tǒng)常規(guī)比例節(jié)段模型（幾何縮尺比為1∶50～1∶80）對主梁渦振性能進行研究是不夠的＼[11＼].張偉等針對西堠門大橋主梁斷面分別進行了幾何縮尺比為1∶40和1∶20的主梁節(jié)段模型渦振試驗研究，研究顯示低雷諾數(shù)試驗所得的渦振振幅要大于高雷諾數(shù)試驗所得的渦振振幅＼[12＼].鮮榮等分別采用幾何縮尺比為1∶50和1∶20的扁平箱梁節(jié)段模型進行閉口流線型主梁渦振性能研究，研究顯示常規(guī)比例主梁節(jié)段模型與大尺度模型之間存在較大的差異，建議采用大尺度模型進行主梁渦振性能研究＼[13-14＼].

綜合以上文獻可看出，對于大跨度斜拉橋而言，采用傾斜雙索面斜拉索體系和閉口流線型鋼箱梁主梁斷面形式，其顫振穩(wěn)定性基本可以達到要求，其抗風設計重點是主梁渦振性能與風荷載效應，且主梁模型幾何縮尺比對主梁渦振性能的影響不容忽視.本文結合在建的江順大橋，采用風洞試驗和CFD數(shù)值模擬相結合的方法對其抗風性能進行研究.

1工程概況

江順大橋位于廣東省江門至順德之間，跨越西江，是廣（州）佛（山）江（門）快速通道工程上的一座特大橋梁.主橋為主跨700 m的鋼混凝土混合梁斜拉橋，跨徑布置為60 m +176 m +700 m +176 m +60 m =1 172 m，主跨及次邊跨為閉口流線型鋼箱梁，邊跨為預應力混凝土箱梁，主梁寬為B=39.0 m，主梁中心處梁高為H=3.5 m，圖1所示為江順大橋主橋總體布置圖及主梁標準斷面圖.

（a）主橋立面布置圖

（b）主梁標準斷面圖

根據(jù)該橋橋位氣象觀測及風參數(shù)專題研究成果可知，橋位處每年7—10月份為臺風多發(fā)期，影響該地區(qū)的臺風次數(shù)平均為1.4次/年；大橋橋位基本風速為V10=32.4 m/s，平均風剖面指數(shù)為α=0.11.成橋狀態(tài)橋面高度處設計基準風速為Vd=37.1 m/s，施工重現(xiàn)期取10年，對應施工階段設計基準風速為Vsd=31.2 m/s.采用ANSYS軟件對主橋成橋狀態(tài)及關鍵施工狀態(tài)進行結構動力特性計算，表1僅給出成橋狀態(tài)及最大單懸臂狀態(tài)前十階頻率與振型描述.

1.084 5

2主梁節(jié)段模型測振風洞試驗

2.1常規(guī)比例主梁節(jié)段模型試驗

采用幾何縮尺比為λL=1/60的主梁節(jié)段模型進行主橋顫振穩(wěn)定性檢驗.主梁節(jié)段模型長為L= 1 800 mm，寬為B=650 mm，高為H=58 mm，模型長寬比約2.769.

圖2（a）所示為主梁節(jié)段模型試驗照片，表2所示為主梁節(jié)段模型試驗參數(shù).表3所示為主橋成橋狀態(tài)及最大單懸臂施工狀態(tài)主橋結構顫振臨界風速結果匯總.由表3可知，成橋狀態(tài)及最大單懸臂施工狀態(tài)主橋顫振穩(wěn)定性均滿足要求，表明大橋具有足夠的顫振穩(wěn)定性.

2.2大比例主梁節(jié)段模型試驗

考慮到本橋主梁結構渦振發(fā)生的可能性以及模型構造細節(jié)、風洞試驗段尺寸等因素，確定采用幾何縮尺比為1/25的主梁節(jié)段模型進行該橋主梁渦振性能評估.模型長為L=3 000 mm，寬為B=1 560 mm，高為H=140 mm，模型長寬比約1.923，模型阻塞率為δ=4.26%（為+5o風攻角時的阻塞率），小于《公路橋梁抗風設計規(guī)范》（JTG/T D6001—2004）要求值5%.試驗在湖南大學HD2號風洞中進行，試驗段尺寸為8 m（寬）×2 m（高）×15 m（長），試驗段風速范圍為0～12 m/s，均勻流場紊流度小于1%，試驗照片如圖2（b）所示，模型試驗參數(shù)見表4.