山区桥梁桥址处风场特性分析及风洞试验优化

山区桥梁桥址处风场特性分析及风洞试验优化

到目前为止，国内外对桥梁抗风设计的研究主要集中在广阔的区域，如大陆架和沿海地区的钢箱梁桥。关于山区峡谷的抗风性研究还不成熟。与沿海和平原地区风速相比,山区峡谷阵风强烈、频繁,湍流强度大,非平稳特性突出,风速场空间分布复杂且表现为显著的三维特征。山区桥梁风致振动响应预测及抗风措施研究明显区别于其它地区的桥梁,特别是大跨度超大跨度悬索桥,往往处于两峰之间,长度超过千米,桥下为峡谷地带,状况更显复杂。不仅桥梁中部风场与两侧坡面处的风场存在差异,而且桥位处风场也与大桥周边风场存在明显差异。由于山地地形起伏影响,气流可能呈波浪状,自然风的非平稳特性将对桥梁结构产生非常不利的影响。由于观测资料匮乏和规范的局限性,如果按照常规的方法得出的设计风速,进而按照这些风速参数进行抗风检验,有可能得出不安全的结果。本文以一山区特大跨度钢桁梁悬索桥——坝陵河大桥为例,研究该桥桥位处风环境的特殊性及针对山区桥梁提出特定的控制颤振措施。1坝陵河理论桥结构坝陵河大桥是沪瑞国道主干线镇宁至胜镜关高速公路上的一座特大型桥梁,该桥地处黔西地区的高原重丘区,在关岭县东北跨越坝陵河峡谷,峡谷两岸地势陡峭,地形变化急剧,起伏很大,河谷深达400～600m。主桥主跨1088m,是我国首座单跨超过千米的特大型钢桁梁悬索桥(图1)。由于坝陵河大桥跨度大、结构自振频率低,对风的作用特别敏感,颤振稳定性成为该桥设计的关键问题,也是我国西部山区复杂风环境下桥梁抗风稳定性的典型问题。2桥处风速变化坝陵河大桥桥址风场特性的数值风洞计算采用FLUENT6.0程序工作站上运行,软件基于有限体积法。计算区域为南北向边长9000m,东西向边长11000m,高度从黄海高程0m到9000m的长方体(减去山体、河流所占空间),桥位约处于区域的中心。计算区域的下边界根据1∶10000的地形等高线图生成。为了反映桥位处风速的变化规律,沿桥轴线位置重点考察了如图1所示的31个点,间距为50m,高程均为1038.8m。各计算点处攻角α值和正交风速分量u的量值是桥位风场的重要特征,评价各方向(风向角的定义如图2)来流对桥梁抗风性能的影响,应综合考虑正交风分量u及其风速系数Cu和攻角的α数值,图2和图3给出了这两个重要参数沿桥轴线的变化特征。工况①、②、③计算得到的桥位处正交风速分量风速系数Cu较大,其最大值分别为1.096、0.990、0.978、1.058,其余工况计算得到的Cu均较小。可见桥位处最不利风向为工况①。另一方面,上述工况下桥轴处攻角α基本在-1°～+6°范围内(尽管靠近岸处、或边跨处计算点的攻角较大,但所处位置对主桥抗风性能影响甚小)。其它方向来流情况下,因风速分量u衰减较多,难以对桥梁构成危害。经过综合分析,该桥成桥状态的设计风速为Ud=25.9m/s,颤振检验风速为41.3m/s。风攻角-1°～+6°范围内进行。3梁单元模拟该桥的有限元模型主梁采用桁架形式,计算中采用梁单元模拟每一根杆件。主缆及吊索采用空间杆单元,索塔各构件均采用空间梁单元,该桥主要振型的结构动力特性分析结构见表1。4坝陵河大桥试验结果分析由于施工场地的原因,山区桥梁很少选择流线型箱梁断面,而大量使用便于施工的桁架梁,坝陵河大桥亦采取了这种断面形式,如图4。由于桁架梁的抗扭刚度较小,扭转频率低,容易发生自由度扭转颤振。为了避免类似1940年美国大跨度钢桁梁悬索桥因风致颤振引起的桥梁破坏的事件发生,对坝陵河大桥的气动外形进行了一系列的风洞试验研究(如图5)。表2给出了原始设计断面的颤振临界风速试验结果。如果按照规范建议,在攻角±3°范围内,该桥能满足设计要求。但是,根据桥址处的数值分析,该桥的来流风速攻角可能达到±6°,超过规范建议的攻角范围,将带来不安全的结果。试验表明,该桥6°时的颤振临界风速只有32.4m/s,远远低于颤振检验风速。为了使该桥在山区特定条件下的颤振特性满足设计要求,利用风洞试验对该桥的断面形式进行了优化。优化方案如表3所示。试验结果表明,原始的断面形式在添加了加细部构件(导轨,吊环),电缆线检修道(无电缆线)以后,颤振临界风速在+3°不能够到达设计要求,在0°也是刚刚达到要求,富裕量不大。其他的优化试验结果汇总在图6中,可以看出,方案7即桥面板表面开孔,再加上导流翼板的形式是最优方案,如图8。5颤振临界风速通过前期的研究,一方面气动翼板对该桥的颤振临界风速提高效果明显。另一方面,从风场的研究结果可以看出,峡谷来流基本上都在正攻角范围内,因此,还需要将气动翼板的方向作适当的优化。坝陵河大桥实际采用的气动翼板有突起的肋条,在试验中,用优质木材模拟其外形,凸起的肋利用在气动翼板上粘贴线或胶布来模拟。由于肋条非常密集,完全按原型缩尺到模型上则难以加工,故试验中采用了按照肋条宽度相等的原则将10根肋条合并为1根,如图8所示。为了考察肋条的高度对颤振临界风速的影响,试验中采用了肋条高度不同的气动翼板进行试验并加以对比。其中一组肋条高度为0.2mm(实型为10mm,设计方所采用),称之为A模型;另一组肋条高度为0.6mm(实型为30mm),称之为B模型。试验考察了翼板安装与主梁夹角的不同(角度正负规定见图9)对颤振临界风速的影响,表4和表5给出了A模型和B模型动力节段模型颤振试验的结果。由表4、表5可知:当肋条的高度增加以后,颤振临界风速有较大的降低,低于该桥的颤振检验风速(41.3m/s);安装气动翼板的角度对颤振临界风速有一定得影响,角度为正角度时会降低颤振临界风速,在较小的负角度情况下,会对颤振临界风速稍有提高,但是超过一定角度,反而会降低颤振临界风速;A模型气动翼板角度为0°、-3°、-6°,颤振临界风速都超过了坝陵河的颤振检验风速(41.3m/s)。其中-3°的时候颤振临界风速最高,达到了42.8m/s。6颤振临界风速通过研究,得到以下主要研究成果。(1)山区峡谷区地形风场特性:通过地形数值风洞研究和地形模拟风洞试验结果表明,山区斜谷地区的风速具有明显的不均匀性,平均风速具有明显的风速放大效应,且攻角变化范围大。坝陵河大桥的颤振检验风速检验范围扩大到±6°,且来流基本分布在正攻角范围内。(2)通过优化试验,气动翼板可以提高大跨钢桁梁悬索桥的颤振稳定性。(3)翼板表面肋条的高度对颤振临界风速影响较大。当选用第一种(对应A模型)气动翼板形式,其表面肋