羅榮志

摘要：我國(guó)沿海及西南地區(qū)風(fēng)力較大，大跨徑橋梁在風(fēng)的靜力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的、不均勻分布的扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)橋梁壽命及車輛行駛安全性造成較大的影響。文章為研究風(fēng)力作用下大跨徑斜拉橋的抗風(fēng)顫振性能，基于彈簧懸掛階段模型試驗(yàn)開展了大攻角條件下大跨徑斜拉橋抗風(fēng)性能試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明，不同攻角條件下橋梁出現(xiàn)了兩類不同的顫振現(xiàn)象：小攻角下的發(fā)散型彎扭耦合顫振現(xiàn)象和大攻角下的自限幅非線性顫振現(xiàn)象。研究成果可為我國(guó)橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

關(guān)鍵詞：橋梁工程;抗風(fēng)性能;大攻角;橋梁顫振;模型試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：U448.27文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.13282/j.cnki.wccst.2021.01.039

文章編號(hào)：1673-4874（2021）01-0143-03

0引言

我國(guó)沿海及西南地區(qū)風(fēng)力較大，大跨徑橋梁在風(fēng)的靜力作用下會(huì)產(chǎn)生較大的、不均勻分布的扭轉(zhuǎn)變形，對(duì)橋梁壽命及車輛行駛安全性造成較大的影響[1-3]。因此，研究大跨徑橋梁在風(fēng)力作用下產(chǎn)生的顫振現(xiàn)象對(duì)于評(píng)價(jià)橋梁抗風(fēng)性能、優(yōu)化橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)方案和保障橋梁安全性具有重要的意義。

為研究風(fēng)力作用下橋梁的風(fēng)力響應(yīng)特征，葛耀君等重點(diǎn)研究橋梁抗風(fēng)穩(wěn)定中的結(jié)構(gòu)顫振強(qiáng)健性的評(píng)價(jià)問(wèn)題，并提出利用4個(gè)隨機(jī)變量表示的顫振安全域度隨機(jī)模型;該模型是基于等效中心點(diǎn)法獲得顫振強(qiáng)健性的可靠指標(biāo)、失效概率以及重現(xiàn)時(shí)間;進(jìn)一步的，葛耀君等利用所提出的新型顫振強(qiáng)健性評(píng)價(jià)方法對(duì)4座完工的和4座規(guī)劃中的大跨徑橋梁展開了強(qiáng)健性分析，并取得了良好的評(píng)價(jià)效果[4]。阮惠強(qiáng)等學(xué)者對(duì)懸索橋的風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象展開了深入研究，提出了一種新型的、可替代風(fēng)洞模型試驗(yàn)的計(jì)算方法，并根據(jù)《公路橋梁抗風(fēng)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定對(duì)橋梁的抗風(fēng)穩(wěn)定性能進(jìn)行了驗(yàn)證[5]，該計(jì)算方法能夠在一定程度上節(jié)約橋梁工程的工期與造價(jià)。董芳路等指出近年來(lái)我國(guó)橋梁風(fēng)害問(wèn)題愈發(fā)嚴(yán)重，在深入分析了風(fēng)致振動(dòng)的多種振動(dòng)類型的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步探討了風(fēng)力對(duì)橋梁的危害，明確分析風(fēng)力致害的破壞機(jī)理并提出了一系列預(yù)防應(yīng)對(duì)措施[6]。王騎等基于室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，以薄平板為研究對(duì)象，采用強(qiáng)迫振動(dòng)性風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試方法，展開了4個(gè)不同攻角（0°、3°、5°和7°）條件下橋梁的顫振試驗(yàn)研究，并進(jìn)一步對(duì)顫振導(dǎo)數(shù)進(jìn)行了測(cè)試與分析[7]。

上述研究成果多集中于小跨徑橋梁或很少考慮風(fēng)力攻角尤其是大攻角對(duì)橋梁風(fēng)力結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征的影響，本文基于室內(nèi)橋梁節(jié)段風(fēng)洞試驗(yàn)，深入研究了不同風(fēng)速、不同風(fēng)力攻角條件下橋梁的顫振性能和風(fēng)力響應(yīng)特征，研究成果可為我國(guó)橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供一定的依據(jù)。

1模型試驗(yàn)

1.1模型設(shè)計(jì)

本次試驗(yàn)研究主要內(nèi)容為大跨徑斜拉橋抗風(fēng)性能，研究對(duì)象為某跨徑為1400m的閉口箱梁橋。其中，箱梁的風(fēng)嘴角度為40°，且附有一寬度為1.50m的導(dǎo)流板，以改善橋面的顫振性能。橋梁斷面如圖1所示。采用彈簧懸掛剛體節(jié)段展開風(fēng)洞試驗(yàn)，橋梁模型總長(zhǎng)度為1.400m，寬度為0.467m，高度為0.045m。試驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膸缀慰s尺為λ_L=1/90，試驗(yàn)風(fēng)速比為λ_L=1/8。此外，為保證在不同攻角風(fēng)條件下橋梁的二維均勻性，在模型兩端設(shè)置了能夠遮蔽橋梁斷面的大端板。

1.2風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為研究不同攻角條件下橋梁的抗風(fēng)顫振性能，本次試驗(yàn)研究共設(shè)計(jì)了2°、4°、6°、8°及10°共計(jì)5組試驗(yàn)，以對(duì)比獲得橋梁顫振性能與風(fēng)力攻角之間的具體關(guān)系。風(fēng)洞模型試驗(yàn)采用同濟(jì)大學(xué)TJ-1大氣邊界風(fēng)洞試驗(yàn)設(shè)備，最大試驗(yàn)風(fēng)速可達(dá)32m·s^-1。模型系統(tǒng)的振動(dòng)參數(shù)如表1所示。

2試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1大跨徑斜拉橋顫振現(xiàn)象特點(diǎn)

根據(jù)風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果，不同風(fēng)力攻角條件下橋梁的顫振后扭轉(zhuǎn)位移曲線表現(xiàn)出不同的變化趨勢(shì)。典型橋梁顫振后扭轉(zhuǎn)位移時(shí)程圖如圖2所示，其是風(fēng)力攻角2。、4。和10。條件下橋梁的扭轉(zhuǎn)位移時(shí)程圖。由圖3可知，節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)條件下，隨著風(fēng)力攻角的變化，橋梁的顫振模式可以劃分為兩種模式：小風(fēng)力攻角下的常規(guī)發(fā)散型彎扭耦合顫振現(xiàn)象和大風(fēng)力攻角下的自限非線性顫振現(xiàn)象。

根據(jù)經(jīng)典線性顫振理論[8-10]，橋梁發(fā)生顫振前后阻尼簡(jiǎn)諧振動(dòng)的瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)振幅的表達(dá)式如式（1）所示：

a_t（t）=φe^{（-ξ+i）wt}（1）

式中：a_t（t）——瞬時(shí)扭轉(zhuǎn)振幅;

φ——復(fù)模態(tài)振動(dòng)振幅;

ξ——模型系統(tǒng)總阻尼比。

依據(jù)式（1）可知，橋梁顫振后的振動(dòng)振幅與時(shí)間的變化關(guān)系應(yīng)當(dāng)接近于正指數(shù)函數(shù)曲線關(guān)系，否則應(yīng)為非線性顫振。結(jié)合橋梁的顫振后扭轉(zhuǎn)位移曲線，對(duì)振幅試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行擬合得到擬合曲線，并將其與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得到誤差曲線。由圖2（a）可知，在風(fēng)力攻角為2°條件下，實(shí)測(cè)曲線與擬合曲線之間的對(duì)應(yīng)性較好，誤差曲線整體呈波動(dòng)狀態(tài)，因此，在風(fēng)力攻角為2°時(shí)橋梁整體呈常規(guī)發(fā)散型彎扭耦合顫振。隨著風(fēng)力攻角增大，當(dāng)風(fēng)力攻角為4°時(shí)，且風(fēng)洞模型試驗(yàn)持續(xù)推進(jìn)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合結(jié)果之間的誤差產(chǎn)生了一定的變化：在試驗(yàn)時(shí)間為10s內(nèi)時(shí)二者對(duì)應(yīng)性較高，誤差曲線平穩(wěn);而試驗(yàn)時(shí)間超過(guò)10s后誤差曲線不斷增大且增長(zhǎng)速度逐漸變大。由此可見，風(fēng)力攻角為4。時(shí)橋梁整體呈自限非線性顫振現(xiàn)象。進(jìn)一步分析風(fēng)力攻角為10°條件下橋梁的顫振現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)誤差曲線隨著時(shí)間不斷呈指數(shù)型增長(zhǎng)，因此可以得出攻角為10°條件下橋梁整體亦呈現(xiàn)出自限非線性顫振現(xiàn)象。綜上所述，在小風(fēng)力攻角下（2°），橋梁表現(xiàn)出常規(guī)發(fā)散型彎扭耦合顫振，而大風(fēng)力攻角下（4°～10°），橋梁呈現(xiàn)出彎扭耦合程度較弱的自限幅非線性顫振現(xiàn)象。

2.2大攻角下的非線性顫振現(xiàn)象

為研究大攻角條件下（4°～10°）橋梁的風(fēng)力響應(yīng)特征，統(tǒng)計(jì)得出不同大攻角下扭轉(zhuǎn)移均方根隨風(fēng)速的變化關(guān)系如圖3所示。由圖可知，在大攻角節(jié)段風(fēng)洞模型試驗(yàn)中，橋梁節(jié)段均產(chǎn)生了一定程度的自限幅非線性顫振現(xiàn)象。在相同風(fēng)速條件下，隨著攻角逐漸增大，橋梁的扭轉(zhuǎn)位移亦逐漸增大，攻角對(duì)橋梁的顫振現(xiàn)象影響明顯。

風(fēng)速也是影響橋梁變形與安全性能的重要因素[11-12]，因此需要進(jìn)一步分析風(fēng)速對(duì)橋梁顫振現(xiàn)象的影響。由圖3可知，在低風(fēng)速時(shí)，橋梁的顫振以扭轉(zhuǎn)渦振為特征，扭轉(zhuǎn)位移均處于較小且較穩(wěn)定的狀態(tài);而隨著風(fēng)速的增加，各大攻角下的橋梁節(jié)段均發(fā)生了較大振幅的扭轉(zhuǎn)。此外，大攻角條件下橋梁受風(fēng)速影響更為明顯。當(dāng)攻角為2°時(shí)，橋梁在風(fēng)速為7.2m/s時(shí)才產(chǎn)生明顯的自限幅振動(dòng);而攻角為10°時(shí)，當(dāng)風(fēng)速僅達(dá)到3.5m/s時(shí)橋梁節(jié)段便出現(xiàn)了自限幅非線性顫振現(xiàn)象。不同攻角下橋梁顫振臨界風(fēng)速分別為7.2m/s、7.0m/s、5.2m/s和3.5m/s。由此可見，攻角對(duì)于橋梁的顫振現(xiàn)象有著較大的影響，攻角越大，顫振越明顯，橋梁越容易遭到損傷破壞。

3結(jié)語(yǔ)

為研究大攻角條件下大跨徑斜拉橋抗風(fēng)性能，本文在室內(nèi)展開了不同風(fēng)速、不同風(fēng)力攻角條件下的橋梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)，得出主要結(jié)論如下：

（1）節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)條件下，隨著風(fēng)力攻角的變化，橋梁的顫振模式可以劃分為兩種模式：小風(fēng)力攻角下的常規(guī)發(fā)散型彎扭耦合顫振現(xiàn)象和大風(fēng)力攻角下的自限非線性顫振現(xiàn)象。

（2）隨著風(fēng)速的增大，橋梁的扭轉(zhuǎn)位移也逐漸增大，這表明風(fēng)力越強(qiáng)，橋梁越容易遭到破壞。

（3）大攻角條件下，橋梁均產(chǎn)生了一定的非線性顫振現(xiàn)象。且風(fēng)力攻角越大，顫振現(xiàn)象越明顯。

參考文獻(xiàn)

[1]吳斌峰，王波，田磊.大跨度橋梁抖振性能的數(shù)值模擬研究M.交通世界，2020（11）：133-135.

[2]吳斌峰，郭敏，喬新宇.大跨度橋梁的抗風(fēng)措施研究[J].建筑技術(shù)開發(fā)，2020，47（7）：127-128.

[3]陳強(qiáng)，張明金，嚴(yán)乃杰.三塔大跨斜拉橋風(fēng)致響應(yīng)研究[J].四川建筑，2019，39（6）：213-216.

[4]葛耀君，夏青，趙林.大跨度橋梁的抗風(fēng)強(qiáng)健性及顫振評(píng)價(jià)[J].土木工程學(xué)報(bào)，2019，52（11）：66-70，119.

[5]阮惠強(qiáng)，馬萍.一種中小跨徑（≤200m）懸索橋抗風(fēng)穩(wěn)定性驗(yàn)算方法[J].四川水泥，2019（8）：148-149.

[6]董芳路，風(fēng)致振動(dòng)對(duì)橋梁結(jié)構(gòu)的危害及防護(hù)措施[J].住宅與房地產(chǎn)，2019（16）：274.

[7]王騎，李郁林，李志國(guó)，等，不同風(fēng)攻角下薄平板的顫振導(dǎo)數(shù)[J]，工程力學(xué)，2018，35（10）：10-16.

[8]蓋相宇，大跨徑懸索橋軟顫振臨界風(fēng)速確定方法[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2019.

[9]姜保宋，周志勇，唐峰，橋梁顫振臨界風(fēng)速的概率密度演化計(jì)算[J]，哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，52（3）：59-67.

[10]馬婷婷，基于橋梁節(jié)段模型的顫振穩(wěn)定性參數(shù)分析[J]. 結(jié)構(gòu)工程師，2019，35（6）：69-75.

[11]夏飛龍，王林凱，劉志文，等，識(shí)別橋梁斷面顫振臨界風(fēng)速的一種新方法[J].公路，2019，64（8）：59-65.

[12]祝志文，顧明，快速預(yù)測(cè)大跨度橋梁顫振臨界風(fēng)速的CFD-AM-CSD方法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2014，47（7）：88-96.