三塔悬索桥结构颤振稳定性风洞试验研究

三塔悬索桥结构颤振稳定性风洞试验研究

1间桥塔动力特性及颤振稳定性在近年来的海上和大型越南项目中，三塔悬索桥在同一条件下比两座塔悬索桥具有更大的横跨能力，因此已被多次用作预备方案。与传统的两塔悬索桥相比,三塔悬索桥有着独特的结构体系特点。如:其中间桥塔由于缺乏有效的纵向约束,使结构的整体刚度下降,并使得结构自振频率降低,尤其是扭转频率的降低将对结构的颤振稳定性产生较不利影响;同时中间桥塔的引入也致使桥梁整体结构动力性能更为复杂,结构颤振可能存在多种振型的耦合。可见,对三塔悬索桥进行动力特性及颤振稳定性研究是十分必要的。泰州长江公路大桥(以下简称泰州大桥)跨径布置为(390+1080+1080+390)m(图1),主梁采用封闭式流线型扁平钢箱梁,梁宽37.1m,梁高3.5m(图2),中塔高192m,边塔高172m。2接触性单元模拟动力特性分析是颤振稳定性分析和节段模型测振试验的基础,采用ANSYS有限元软件分析泰州大桥的动力特性,其中主梁、桥塔采用空间三维Beam4单元模拟,主缆和吊杆采用Link10单元模拟,为准确模拟塔柱和横梁交接处的刚度效应,对塔柱和横梁交接处进行刚性处理。为了分析中塔刚度对三塔悬索桥结构动力特性影响,比较中塔刚度对结构振型的参与作用,约束中塔顺桥向变位。约束前、后结构主要振型和频率见图3。比较可以发现,中塔的参与使得影响结构颤振稳定性的关键模态的频率降低很多,如主梁1阶正对称竖弯振型的频率由0.151Hz降低至0.080Hz;主梁1阶正对称扭转振型的频率则由0.344Hz降低到0.273Hz,这势必会引起桥梁整体结构颤振稳定性的降低。3颤振稳定性风洞试验研究为深入研究泰州大桥的颤振性能以及有效提高其颤振稳定性的气动措施,进行了一系列的节段模型颤振试验。采用直接试验法,将缩尺比1∶70的刚体节段模型通过8根弹簧悬挂在外置式支架上,通过实测模型的发散风速,直接换算成实桥的颤振临界风速。节段模型的骨架和外表都由碳纤维材料构成,这使得其整体刚度较传统的芯梁加外衣模式有较大提高,同时模型重量也得到了较好的控制。成桥状态考虑了栏杆、防撞栏以及检修车轨道的设置。针对图4(a)原主梁截面方案A的颤振试验表明,在-3°、0°和+3°三种风攻角下的颤振临界风速以+3°风攻角的情况为最低,其颤振临界风速为45m/s,远低于颤振检验风速57.4m/s的要求;针对该方案在去掉检修车轨道后,其+3°风攻角的颤振临界风速达到了52.5m/s。因此,为寻求有效提高该桥颤振稳定性的气动措施,在原主梁截面方案A的基础上,针对加设不同形状的风嘴和优化检修车轨道位置后的主梁截面方案(图4)进行了一系列的颤振稳定性风洞试验。针对加尖角形风嘴主梁截面方案B,+3°风攻角情况下的颤振临界风速达到了53.2m/s,颤振稳定性有了较大的提高;同样,针对该方案在去掉检修车轨道后,其+3°风攻角的颤振临界风速达到了63.2m/s,满足了颤振检验风速的要求。因此,把气动措施研究的重点放在风嘴形状选择和检修车轨道位置优化这2个方面是正确的。基于上述考虑,针对圆弧形风嘴截面方案C和尖角形风嘴截面方案D进行了不同风攻角下的颤振稳定性试验研究。结果表明,圆弧形风嘴和尖角形风嘴均提高了主梁截面的颤振性能。但圆弧形风嘴在+3°风攻角下的主梁截面颤振临界风速为54.8m/s,仍未满足颤振检验风速57.4m/s的要求。将检修车轨道移到尖角形风嘴截面方案D的上斜板位置后,+3°风攻角下的颤振临界风速达到了62.9m/s,满足了颤振稳定性要求。各个方案不同风攻角下的颤振临界风速汇总见图5,值得一提的是,在直接颤振法试验时,颤振发散的振动形态都表现为单自由度扭转颤振,而非弯扭耦合颤振。4阶振型阶振特性根据节段模型所测得的主梁断面颤振导数结果,利用三维耦合颤振分析方法对泰州大桥成桥状态+3°风攻角下桥梁结构的颤振稳定性进行分析,分析过程中桥梁结构各固有模态的结构阻尼比均取为0.005,并采用自振特性分析的前30阶模态作为颤振的参与模态从图各阶振型阻尼比随风速变化曲线可以看出,随着风速增加,各阶模态阻尼和频率均发生了变化,其中主梁1阶正对称扭转振型(第15阶振型)的阻尼比变化最为显著,由正变负,颤振以该阶振型形态为主。与此同时,通过图7振型频率随风速变化曲线也可以发现,颤振发生时第15阶振型的频率由0.273Hz衰减到0.231Hz,对应的颤振临界风速为64.6m/s,与直接颤振法风洞试验获得的颤振临界风速62.9m/s很接近,表明了三维耦合颤振分析方法在求解该桥颤振临界风速方面具有很高的精度。从图8的振型参与图可明显看出,颤振时第15阶振型所占的能量占绝大部分,这与节段模型试验得出的扭转颤振的现象吻合,说明颤振主要由扭转参与。5主梁气动型钢优化(1)为了保证中塔鞍座与主缆间的抗滑设计需求,三塔悬索桥的钢中塔的弹性使得结构部分振型频率降低,尤其是扭转和竖弯振型频率的降低,使得结构整体的颤振稳定性成为此类桥梁抗风设计的关键。(2)主梁气动外型优化是提高三塔悬索桥整体颤振稳定性的重要途径,合适的风嘴外形与优化的检修车轨道布置可以显著地提高闭口钢箱梁三塔悬索桥的颤振临界风速。(3)颤振形态的研究对于把握该