敬大德，蘇益

（1.拉薩市設(shè)計集團有限公司，西藏 拉薩 850000；2 西南交通大學(xué) 風工程四川省重點實驗室，四川 成都 610031）

0 引言

大跨度橋梁的抗風性能是當前風工程研究的熱點和難點，這是一個涉及風特性、橋梁結(jié)構(gòu)及二者相互作用的多學(xué)科研究課題。尤其對于地形地勢復(fù)雜的情況，自然風的非平穩(wěn)特性將對橋梁結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非常不利的影響，特別是鋼桁梁橋的抗風問題。此外，觀測資料的匱乏以及不同結(jié)構(gòu)形式和氣動外形的結(jié)構(gòu)仍舊存在規(guī)范適用性等問題，采用傳統(tǒng)方法進行結(jié)構(gòu)風致特性的研究將得到不準確的結(jié)果，且隨著當前橋梁跨度的不斷增加，其風致特性問題更加棘手［1-2］。

橋梁的跨度、結(jié)構(gòu)形式、透風率、風環(huán)境等諸多因素都是影響大跨度橋梁風致振動的關(guān)鍵因素。反之，大跨度橋梁的靜風位移響應(yīng)及顫振、抖振等風致振動情況也都將對橋梁結(jié)構(gòu)的氣動選型等問題有著重要的影響［3-5］。隨著交通業(yè)及旅游業(yè)的發(fā)展，大跨度橋梁不斷涌現(xiàn)，并不斷出現(xiàn)橋梁結(jié)構(gòu)在滿足其交通運輸功能的前提下同時開發(fā)諸如旅游等方面的其他可利用功能，如壩陵河大橋、海滄旅游區(qū)的廈門海滄大橋、景區(qū)開發(fā)設(shè)計中的赤水河大橋及諸多山區(qū)觀景廊橋等［6-9］。

本文以某山區(qū)桁梁懸索橋為背景，開展基于景區(qū)開發(fā)的氣動外形改變對大跨度桁梁橋階段抗風性能的影響研究。鑒于其地處黃果樹瀑布景區(qū)，該橋的景區(qū)開發(fā)應(yīng)運而生。因該橋桁高較高，跨中位置距地面高差大，其景區(qū)開發(fā)在桁架梁中設(shè)計了旅游通道、餐廳、酒店、蹦極臺等旅游項目，使得結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的橋梁斷面形式存在較大的差異。該橋跨度大、自振頻率低，對風的作用敏感。而其在景區(qū)開發(fā)前后結(jié)構(gòu)的氣動外形發(fā)生顯著的變化，因此其在景區(qū)開發(fā)設(shè)計階段的風致響應(yīng)及振動問題的研究顯得尤為必要。

本文基于全橋氣彈模型風洞試驗，詳細對比結(jié)構(gòu)在成橋運營階段與景區(qū)開發(fā)階段的抗風性能，分析結(jié)構(gòu)氣動外形及透風率的改變對靜風位移響應(yīng)、抖振響應(yīng)及顫振失穩(wěn)等情況的影響，以此輔助橋梁景區(qū)開發(fā)階段的設(shè)計及實施，并可為今后類似具有旅游等功能的橋梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計與研究提供參考。

1 工程概況

該大跨度桁架梁橋主橋采用雙塔單跨鋼桁架懸索橋，主跨長1 088 m，主纜矢跨比1/10.3，橋?qū)?8.0 m，吊索順橋向間距為10.8 m。鋼桁梁由主桁架、主橫桁架和上、下平聯(lián)組成，主桁架桁高10 m。結(jié)構(gòu)設(shè)計風速為25.9 m/s。圖1 為橋梁總體布置圖及主梁標準橫斷面圖。

圖1 橋梁總體布置圖及主梁標準橫斷面圖（單位：m）Figure 1 General layout of the bridge and standard cross-section of the main girder（unit:m)

根據(jù)該橋旅游開發(fā)項目的設(shè)置，下檢修道內(nèi)兩側(cè)鋪設(shè)高1.5 m 的玻璃欄桿，且對其中10 個節(jié)間進行全封閉處理；12 個節(jié)間將鋪設(shè)玻璃地面，并設(shè)計封閉的餐廳及酒店；在橋梁跨中位置布設(shè)了玻璃棧道、景區(qū)眺望臺、蹦極跳臺等開發(fā)項目。鑒于上述旅游開發(fā)項目對大橋主梁外形及氣動力的影響，為確保橋梁景區(qū)開發(fā)設(shè)計階段的抗風安全，需對增加旅游開發(fā)項目后結(jié)構(gòu)的抗風性能引起足夠的重視，對該橋景區(qū)開發(fā)設(shè)計階段進行全橋氣彈模型風洞試驗。

2 有限元分析

全橋氣彈模型風洞試驗包含景區(qū)開發(fā)前后兩階段，采用Ansys 有限元軟件對該大跨度鋼桁梁懸索橋進行結(jié)構(gòu)動力特性的分析，計算模型見圖2。

圖2 有限元模型圖Figure 2 Finite element model

采用上述有限元模型，根據(jù)子空間迭代法可以求解結(jié)構(gòu)的前30 階振型和頻率。經(jīng)計算，增設(shè)景區(qū)開發(fā)項目之后，結(jié)構(gòu)動力特性幾乎不變?？紤]到旅游開發(fā)項目質(zhì)量相對于主梁質(zhì)量很小，且其大部分均為沿橋?qū)拑蓚?cè)對稱布置等，其對結(jié)構(gòu)動力特性影響較小，試驗中采用在正確模擬原橋動力特性的基礎(chǔ)上，準確模擬旅游開發(fā)項目的幾何尺寸、質(zhì)量及其布置位置，即可正確模擬橋梁景區(qū)開發(fā)階段的動力特性。表1 為結(jié)構(gòu)與主梁振動有關(guān)的主要模態(tài)的結(jié)構(gòu)動力特性結(jié)果。

表1 成橋態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性Table 1 Structural dynamic characters in completed state

3 風洞試驗

3.1 試驗設(shè)備

全橋氣動彈性模型風洞試驗在西南交通大學(xué)風工程試驗研究中心XNJD-3 風洞中進行。該風洞是一座回流式低速風洞，試驗段尺寸為36 m（長）×22.5 m（寬）×4.5 m（高），風洞空置時，風速范圍為1.0～16.5 m/s，紊流度1.0%以下。風洞配備了模擬大氣邊界層的裝置，可以實現(xiàn)建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范要求的各類風場特性的模擬。該風洞的各項技術(shù)指標均達到世界先進水平，是目前世界上尺寸最大的土木工程類（風工程）專用風洞。

風速測量采用TFI 眼鏡蛇三維脈動風速測量儀，位移測量采用非接觸式激光位移測量傳感器（型號Micro-Epsilon optoNCDT1401）。試驗采樣頻率512 Hz，采樣時長64 s。

3.2 大氣邊界層模擬

試驗段配備由尖塔、擋板和粗糙元組成的大氣邊界層模擬裝置，粗糙元覆蓋長度約25 m（通常為保證產(chǎn)生合理的紊流區(qū)域，覆蓋長度為尖塔高度的6 倍），可模擬出《公路橋梁抗風設(shè)計規(guī)范》（JTG/T 3360- 01—2018）要求的風剖面、紊流度及風速譜等。

試驗分別在均勻流場及D 類風場中進行，其中D類風場采用被動方法模擬大氣邊界層。試驗中，需重點保證橋面高度的平均風速及紊流度。

3.3 試驗工況

考慮到橋梁跨度及風洞試驗段尺寸，將模型幾何縮尺比定為CL=1/80，模型在風洞中的空氣阻塞率小于5%，滿足風洞試驗要求。

根據(jù)研究目的及試驗需要，橋梁顫振及渦激振動試驗在均勻流場中進行（圖3），并同時測量結(jié)構(gòu)在均勻流場中的靜風位移響應(yīng)。抖振試驗在紊流場（D類風場）中進行（圖4）。試驗設(shè)置了0°和+3°兩個風攻角?？紤]到旅游開發(fā)項目沿橋梁展向方向的不對稱性，試驗在0°和180°兩個風偏角下分別進行。為關(guān)注橋梁景區(qū)開發(fā)前后變化對結(jié)構(gòu)的影響，試驗先對原橋進行試驗，后再安裝旅游開發(fā)項目模型進行試驗。

圖3 均勻流場中全橋氣動彈性模型Figure 3 Full-bridge aeroelastic model installed in uniform flow field

圖4 D 類風場中全橋氣動彈性模型Figure 4 Full-bridge aeroelastic model installed in Class D wind field

4 試驗結(jié)果及分析

由試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，橋梁景區(qū)開發(fā)前后在設(shè)計風速范圍內(nèi)沒有渦激振動發(fā)生，且在0～84.97 m/s 風速下均未發(fā)生顫振等空氣動力失穩(wěn)，該最大風速已遠大于該橋的顫振檢驗風速，表明橋梁景區(qū)開發(fā)前后均具有很強的氣動穩(wěn)定性［10］。

4.1 靜風位移響應(yīng)

主梁的靜風位移響應(yīng)在均勻流場中測量。圖5為結(jié)構(gòu)跨中及1/4 跨位置處的平均位移響應(yīng)與風速的關(guān)系曲線（已換算至實橋）。

圖5 景區(qū)開發(fā)前后橋梁結(jié)構(gòu)靜風位移響應(yīng)Figure 5 Static wind displacement responses of the bridge before and after scenic spot development

由圖5 可知：結(jié)構(gòu)跨中位置橫向及扭轉(zhuǎn)平均位移響應(yīng)明顯大于1/4 跨，豎向位移響應(yīng)在0°攻角時1/4跨大于跨中位置，+3°攻角時二者相差很?。伙L攻角的改變對橫向平均響應(yīng)影響不大，但對豎向及扭轉(zhuǎn)平均響應(yīng)影響顯著；來流方向?qū)Y(jié)構(gòu)豎向平均響應(yīng)影響不大，但對橫向及扭轉(zhuǎn)平均響應(yīng)影響顯著；景區(qū)開發(fā)階段的諸多結(jié)構(gòu)變化使得透風率有較大幅度減小，結(jié)構(gòu)風阻力明顯增大，進而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)橫向位移響應(yīng)增大。另在部分節(jié)間下平聯(lián)均鋪設(shè)玻璃地面，會引起結(jié)構(gòu)所受升力的變化，進而影響結(jié)構(gòu)的豎向位移響應(yīng)。橋梁景區(qū)開發(fā)后橫向及豎向平均響應(yīng)明顯高于景區(qū)開發(fā)前，扭轉(zhuǎn)平均位移響應(yīng)在兩階段存在一定的差異但沒有顯著的規(guī)律性。

4.2 抖振響應(yīng)

作為一種限幅振動，抖振雖不像顫振那樣會引起結(jié)構(gòu)的災(zāi)難性破壞，但其起振風速低、發(fā)生頻率高，并且持續(xù)的抖振可能引起橋梁結(jié)構(gòu)的局部疲勞破壞，進而影響橋梁的壽命。此外，強風作用下橋梁結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)過大的抖振響應(yīng)同樣將危及人員及器械安全，以及結(jié)構(gòu)行車及行人等的舒適度等問題［11-14］，尤其對于具有旅游功能的結(jié)構(gòu)顯得更加重要。圖6為結(jié)構(gòu)在各工況下的抖振響應(yīng)均方根與橋面風速之間的關(guān)系（均已換算為實橋值）。

圖6 景區(qū)開發(fā)前后橋梁結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)Figure 6 Buffeting responses of the bridge before and after scenic spot development

由圖6 可知：+3°風攻角下結(jié)構(gòu)橫向及扭轉(zhuǎn)抖振響應(yīng)要大于0°風攻角，豎向抖振響應(yīng)差異不明顯。對于同一風攻角，跨中位置橫向及扭轉(zhuǎn)抖振響應(yīng)普遍大于1/4 跨，豎向抖振響應(yīng)普遍小于1/4 跨。因結(jié)構(gòu)氣動外形及透風率的顯著變化，比較結(jié)構(gòu)在景區(qū)開發(fā)前后的抖振響應(yīng)試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于0°攻角下的橫向抖振響應(yīng)，風速小于20 m/s 時景區(qū)開發(fā)前的結(jié)構(gòu)響應(yīng)要大于景區(qū)開發(fā)后，隨著風速的增大差異減??；對于+3°攻角下的橫向抖振響應(yīng)，風速小于20 m/s 時不同工況響應(yīng)值差異較小，隨著風速的增大，景區(qū)開發(fā)后0°風偏角下的響應(yīng)值最大，成橋運營階段響應(yīng)值最小。對于豎向抖振響應(yīng)，景區(qū)開發(fā)前抖振響應(yīng)值明顯大于景區(qū)開發(fā)后，后者在0°風偏角下的響應(yīng)值要稍大于180°風偏角。對于扭轉(zhuǎn)抖振響應(yīng)，+3°攻角下景區(qū)開發(fā)后響應(yīng)值明顯大于景區(qū)開發(fā)前，且隨著風速的增大，前者響應(yīng)的增速大于后者，0°攻角存在類似的趨勢但不明顯。

以上試驗結(jié)果表明：鑒于景區(qū)開發(fā)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的氣動外形及透風率等的改變，結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)發(fā)生了顯著的變化，豎向抖振響應(yīng)減小，除上述個別工況，結(jié)構(gòu)橫向及扭轉(zhuǎn)抖振響應(yīng)大體顯著增大，如+3°攻角、設(shè)計風速下結(jié)構(gòu)扭轉(zhuǎn)抖振響應(yīng)增大了150%以上，雖不會引發(fā)結(jié)構(gòu)的破壞性問題，但對于此類具有旅游功能的橋梁結(jié)構(gòu)而言，抖振響應(yīng)的顯著變化將嚴重影響結(jié)構(gòu)上行人舒適度等問題，因此需要對其進行重新評估［15-16］。

4.3 景區(qū)開發(fā)階段舒適度評估

根據(jù)中國橋梁通行的有關(guān)規(guī)定，當風速大于25 m/s時，橋梁限制通行。鑒于此，本文通過25.9 m/s 設(shè)計風速下的風致響應(yīng)試驗結(jié)果獲取結(jié)構(gòu)風致加速度響應(yīng)（設(shè)計風速25.9 m/s 略高于25 m/s，計算偏于保守，結(jié)果偏于安全）。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動力學(xué)相關(guān)知識，在t=t0時間步開始的運動方程為：

則初始加速度的解為：

為了列出數(shù)值逐步法，需將初始速度和加速度項近似表示為有限差分表達式。首先近似表達t0時刻前后步長中點的加速度、速度：

式中：h為時間步的持續(xù)時間。

這些時間中間的加速度由響應(yīng)的速度表示：

從而得：

根據(jù)試驗結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)時程，利用上述二階中心差分的思想，可以得到橋梁景區(qū)開發(fā)設(shè)計階段跨中及1/4 跨加速度時程，并得到各個方向的加速度時程。本文根據(jù)結(jié)構(gòu)抖振響應(yīng)時程，時間步長取為0.1 s，獲得其加速度時程。

根據(jù)英國規(guī)范BD 49/01 中相關(guān)規(guī)定，動力放大因子KD需滿足KD≤30 mm/s2，通過換算，其相當于加 速 度a≤1.18 m/s2；另ISO 標 準 中 規(guī) 定a≤1.5 m/s2。為防止贅余，在此根據(jù)上節(jié)抖振響應(yīng)試驗結(jié)果及結(jié)論中的各方向最不利工況，僅給出橋梁景區(qū)開發(fā)階段在0°風偏角+3°風攻角、25.9 m/s的設(shè)計風速下跨中位置處橫向、扭轉(zhuǎn)加速度響應(yīng)及1/4跨位置處豎向加速度響應(yīng)如圖7所示（圖中將扭轉(zhuǎn)加速度以其在豎向的響應(yīng)體現(xiàn)）。

圖7 景區(qū)開發(fā)階段加速度響應(yīng)Figure 7 Acceleration response in scenic development phase

通過上述試驗及計算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在設(shè)計風速下加速度小于規(guī)范限值，舒適度滿足要求。即使這樣，鑒于此類具有旅游功能的結(jié)構(gòu)對舒適度要求明顯較高，因此對該問題仍需足夠重視。

景區(qū)開發(fā)階段橫向及豎向的靜風位移響應(yīng)明顯高于成橋運營階段，在扭轉(zhuǎn)方向二者存在一定差異但沒有顯著的規(guī)律性；景區(qū)開發(fā)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向抖振響應(yīng)減小，但橫向及扭轉(zhuǎn)抖振響應(yīng)均顯著增大，經(jīng)計算，結(jié)構(gòu)舒適度滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)論

為評估大跨度桁梁橋景區(qū)開發(fā)階段抗風性能，進行了均勻流場及紊流場中全橋氣彈模型風洞試驗，得出如下主要結(jié)論：

（1） 增設(shè)景區(qū)開發(fā)項目前后結(jié)構(gòu)動力特性幾乎不變。

（2） 沿順風向及豎向降低結(jié)構(gòu)的透風率使得結(jié)構(gòu)橫向及豎向的靜風位移響應(yīng)明顯增大，扭轉(zhuǎn)靜風位移響應(yīng)存在一定差異但沒有顯著規(guī)律。

（3） 相比于原橋梁結(jié)構(gòu)，景區(qū)開發(fā)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)豎向抖振響應(yīng)減小，橫向及扭轉(zhuǎn)抖振響應(yīng)均顯著增大，但行人舒適度仍滿足要求。

（4） 結(jié)構(gòu)景區(qū)開發(fā)設(shè)計導(dǎo)致靜風位移響應(yīng)及抖振響應(yīng)發(fā)生顯著變化，需對具有此類功能的結(jié)構(gòu)重點評價其舒適度等問題。