孫 璐

(四川省交通運輸廳公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院,四川成都 610041)

1 研究背景

橋塔是橋梁結(jié)構(gòu)體系的重要組成部分，高度會隨著橋跨的增加而顯著增大。對于大跨橋梁中的橋塔結(jié)構(gòu)，當(dāng)其截面形式較鈍、結(jié)構(gòu)較柔、質(zhì)量輕、阻尼低時，將極易出現(xiàn)馳振問題[1]。馳振是一種經(jīng)典的柔性結(jié)構(gòu)氣動失穩(wěn)現(xiàn)象，是一種發(fā)散性的自激振動，具有低頻率和橫風(fēng)向大振幅的特點[2]。Novak[3-4]對細(xì)長結(jié)構(gòu)橫風(fēng)向馳振問題進行了理論研究；顧明等[5]以某一斜拉橋的初步設(shè)計方案為例，利用平均法推導(dǎo)了具有分段變截面的斜拉橋橋塔馳振響應(yīng)計算公式；梁樞國等[6]在相關(guān)風(fēng)洞試驗提供的氣動參數(shù)基礎(chǔ)上，分析了正方形和長寬比為2的矩形截面高聳結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)計算公式及馳振發(fā)生與突變的臨界條件；李勝利等[7]針對大跨徑懸索橋施工期門型變截面橋塔，提出了一種有限元與計算流體動力學(xué)CFD相結(jié)合分析高聳結(jié)構(gòu)馳振的實用數(shù)值方法。

抑制結(jié)構(gòu)風(fēng)致振動的工程措施可分為空氣動力措施和機械措施[8]?？諝鈩恿Υ胧┦峭ㄟ^改變原結(jié)構(gòu)的外形來改善物體繞流,從而達(dá)到抑制風(fēng)致振動的目的，空氣動力措施能夠消除激勵源,具有工作可靠、不需維護、費用低的優(yōu)點；機械措施主要通過外加阻尼器來提高結(jié)構(gòu)阻尼,從而達(dá)到降低和抑制風(fēng)致振動的目的，我國廣東崖門大橋[9]就通過應(yīng)用大型TMD有效地抑制了預(yù)應(yīng)力混凝土橋塔的風(fēng)致振動，但與空氣動力措施相比，機械措施的缺點是需要維護和增加額外工程費用。

帶有倒角的正方形截面形式的獨柱橋塔具有施工方便、結(jié)構(gòu)輕盈、外形美觀等特點，在實際橋梁中有所應(yīng)用，但是倒角方形橋塔的馳振臨界風(fēng)速較低，存在馳振安全性問題。以在建的某斜拉橋梁倒角方形橋塔為例，其最低馳振臨界風(fēng)速只有33 m/s，已不能滿足一般的橋梁抗風(fēng)要求，本文即是以上述某斜拉橋橋塔為工程背景，如圖1和圖2所示，以氣彈模型試驗為輔進行結(jié)果驗證的方式，研究了該截面形式橋塔的馳振特性，并找出了兩種對橋塔馳性能有改善作用的空氣動力措施，即在倒角處加設(shè)圓弧形導(dǎo)流板或矩形垂直翼板，并進一步研究了導(dǎo)流板圓弧半徑大小和垂直翼板透風(fēng)率對馳振改善效果的影響規(guī)律。本文所得結(jié)果為研究類似截面形狀塔柱結(jié)構(gòu)的馳振性能及尋找相應(yīng)改善措施提供了參考。

(a)立面

(b)側(cè)面

圖2 西側(cè)橋塔典型斷面(單位:mm)

2 裸塔氣彈模型風(fēng)洞試驗

根據(jù)該橋塔的具體情況，進行了裸塔狀態(tài)(橋塔施工完成，尚無拉索連接)的氣動彈性模型風(fēng)洞試驗，橋塔氣彈模型的幾何縮尺比為1∶80、風(fēng)速比為9.1。氣彈模型的剛度由金屬芯梁來提供；由優(yōu)質(zhì)木材制作的外模來提供氣動外形；不足的重量則由鉛塊等重物配在外模內(nèi)予以調(diào)節(jié)；模型的阻尼則使用橡膠紙實現(xiàn)，通過反復(fù)調(diào)節(jié)橡膠紙的寬度和所放位置將阻尼值調(diào)整到一個合適值。

采用通用有限元軟件ANSYS分析了原型橋塔自立狀態(tài)下的動力特性，計算得到的獨立裸塔固有頻率特性和按相似律換算后的氣彈模型試驗參數(shù)見表1。對于表中頻率，因為倒角方形橋塔的截面既是軸對稱截面又是中心對稱截面，所以橋塔每一階的順橋向和橫橋向彎曲頻率值是相等的；對于阻尼比，因為結(jié)構(gòu)阻尼可以耗能，阻尼比的不同肯定會影響橋塔的馳振響應(yīng)，實際橋塔阻尼比的具體值只有在建成后才可測出，對于橋梁結(jié)構(gòu)阻尼比的估計值，《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》[10]中規(guī)定鋼橋為0.5 %、鋼混結(jié)合梁橋為1 %、混凝土橋為0.5 %，這些參考值主要是針對主梁而言，但對橋塔也具有參考意義，該在建斜拉橋梁的橋塔是混凝土材料，因此將氣彈模型主要模態(tài)所對應(yīng)的阻尼比，通過反復(fù)調(diào)節(jié)取至較小的0.5 %，這樣得到的試驗結(jié)果將是偏于安全的。風(fēng)洞試驗中的裸塔氣彈模型如圖3所示，試驗來流偏安全地采用了均勻流。

表1 橋塔氣彈模型基本參數(shù)

圖3 裸塔狀態(tài)氣動彈性模型

首先進行了-5°、0°、5°和10°風(fēng)向角下，不加任何空氣動力措施的橋塔風(fēng)致振動試驗。試驗前已在在橋塔頂部布置了加速度傳感器，該傳感器可以測得塔頂在與0°風(fēng)向角垂直方向振動的加速度均方根值，據(jù)此進而可以推算出塔頂?shù)脑谠摲较蛭灰凭礁?，圖4不同風(fēng)向角下塔頂位移隨風(fēng)速的變化情況，圖中風(fēng)速為換算后的實橋風(fēng)速，位移均方根值也已通過相似準(zhǔn)則換算至原型。

圖4 各風(fēng)向角下塔頂位移均方根值

通過圖4可以看出，當(dāng)風(fēng)向角為10°時，隨著風(fēng)速的增加，塔頂位移基本保持為零，說明橋塔在10°風(fēng)向角下具有非常良好的馳振穩(wěn)定性。當(dāng)風(fēng)向角為-5°或5°時，在風(fēng)速增大至75 m/s時，塔頂位移均方根值突然增大，有進入發(fā)射狀態(tài)的趨勢，說明橋塔在±5°風(fēng)向角下會出現(xiàn)馳振失穩(wěn)現(xiàn)象，但臨界風(fēng)速已經(jīng)較高。而對于0°風(fēng)向角的情況(此時測得的位移就是橫風(fēng)向位移)，發(fā)現(xiàn)橋塔在20～28 m/s風(fēng)速區(qū)間內(nèi)還存在一個渦激振動鎖定區(qū)間，這是通過靜力試驗不能發(fā)現(xiàn)的，值得注意；當(dāng)風(fēng)速升至33 m/s左右時，塔頂橫風(fēng)向位移出現(xiàn)了非常陡峭的增長趨勢(橫風(fēng)向位移均方根值在很小的風(fēng)速增長范圍內(nèi)便由100 mm左右增大到了800 mm左右)，可以認(rèn)為橋塔在33 m/s時便已經(jīng)進入了振動發(fā)散狀態(tài)(但圖中尚有一點值得注意，就是風(fēng)速繼續(xù)增加至40 m/s左右時，塔頂位移反而有減小趨勢，這是因為該橋塔在40 m/s風(fēng)速之前又出現(xiàn)了第二個、第三階振型渦激振動鎖定區(qū)間，便發(fā)生了馳振和渦振耦合振動的現(xiàn)象，后來隨著風(fēng)速的增大，渦激振動現(xiàn)象消失，所以振動振幅相對反而變小，這并不代表橋塔在33 m/s時并未進入振動發(fā)散狀態(tài))，33 m/s便是倒角方形橋塔在0°風(fēng)向角處的馳振臨界風(fēng)速，這一風(fēng)速值較低，顯然不能滿足一般抗風(fēng)設(shè)計的要求。

為抑制橋塔的馳振，在裸塔氣彈模型的上塔柱部分的4個倒角處加設(shè)圓弧形導(dǎo)流板和0 %透風(fēng)率的矩形垂直翼板，分別如圖5和圖6所示。因為橋塔節(jié)段模型的縮尺比是1∶40，需按照縮尺比進行氣動措施的尺寸換算，將圓弧形導(dǎo)流板的半徑取為20 mm，而將矩形垂直翼板的高取為20 mm、厚取為2 mm。并進行加設(shè)兩種氣動措施后橋塔在0°風(fēng)向角處的風(fēng)致振動試驗，為完全體現(xiàn)出氣動措施對橋塔馳振性能的改善作用，將加設(shè)氣動措施后橋塔主要模態(tài)對應(yīng)的阻尼比也均調(diào)節(jié)至0.5 %(即消除結(jié)構(gòu)阻尼的影響因素)，試驗結(jié)果如圖7中所示，可以看出加設(shè)圓弧形導(dǎo)流板可以將橋塔馳振臨界風(fēng)速提高到70 m/s以上，這一風(fēng)速已經(jīng)很高，完全可以滿足抗風(fēng)設(shè)計的要求，這再次印證了圓弧形導(dǎo)流板可以提高倒角方形橋塔的馳振穩(wěn)定性；還可以發(fā)現(xiàn)一點，即加設(shè)圓弧形導(dǎo)流板還可以有效抑制倒角方形橋塔渦激振動，靜力試驗是不能發(fā)現(xiàn)這一效果的。加設(shè)矩形垂直翼板同樣可以有效提高橋塔進入馳振發(fā)射狀態(tài)的臨界風(fēng)速、改善橋塔馳振穩(wěn)定性，在50 m/s風(fēng)速以下，橋塔不會再出現(xiàn)大幅振動現(xiàn)象，這和靜力試驗結(jié)果是完全相符的；但是，加設(shè)垂直翼板并不能有效抑制橋塔在25 m/s左右出現(xiàn)的第一階渦激振動，且在55 m/s風(fēng)速左右又會出現(xiàn)一個明顯的渦振區(qū)，這需要引起特別地注意。

圖5 加設(shè)圓弧形導(dǎo)流板的氣彈模型

圖6 加設(shè)矩形垂直翼板的氣彈模型

3 結(jié)論

通過風(fēng)洞試驗，以節(jié)段模型靜力試驗為主，氣彈模型為輔進行結(jié)果驗證的方式，研究了在建的某斜拉橋梁中倒角方形橋塔的馳振性能，并找出了對橋塔馳振安全性有改善作用的空氣動力措施：加設(shè)圓弧形導(dǎo)流板可以將實際橋塔的最低馳振臨界風(fēng)速提升至70 m/s以上，而且發(fā)現(xiàn)圓弧形導(dǎo)流板同樣可以有效抑制倒角方形橋塔的渦激振動；并證實了矩形垂直翼板同樣可以有效提高實際橋塔馳振臨界風(fēng)速、改善馳振穩(wěn)定性的觀點，但卻發(fā)現(xiàn)矩形垂直翼板對倒角方形橋塔的渦激振動無抑制作用。

圖7 加設(shè)氣動措施后塔頂在0°風(fēng)向角下的橫風(fēng)向位移均方根值