斜风作用下港珠澳江淮赴海桥桥塔抖振响应模型试验研究

斜风作用下港珠澳江淮赴海桥桥塔抖振响应模型试验研究

0桥塔自立状态下风致振动性能现代斜拉桥的范围越来越大，塔的高度也越来越大。这座桥塔是一座柔性的结构，风是其主要的负荷。当主塔施工在缺少斜拉索体系约束下,处于刚度较低阻尼较小的自立状态时,桥塔风致振动问题就成为了设计方案选择的关键因素之一。桥塔自立状态下风致振动主要表现为抖振、驰振和涡激共振。抖振是来流速度脉动在结构上施加的非定常荷载,它不会引起失稳破坏,但过大的抖振响应在桥塔施工期间可能危及施工人员和机械的安全,还可能缩短桥塔的疲劳寿命。笔者借助港珠澳江海直达船航道桥的抗风研究,通过桥塔自立状态下气弹模型风洞试验,对在斜风作用下该桥桥塔自立状态下的风致振动性能进行了研究。根据试验结果,笔者着重分析了风偏角及风速对桥塔自立状态抖振响应的影响及不同风偏角和风速下桥塔自立状态抖振响应随风速的变化规律。1桥塔总体布置及基准风速江海直达船航道桥采用3塔4跨钢箱梁平行单索面斜拉桥方案,桥跨布置为110+129+258+258+129+110=994m;各塔、墩处设置竖向支座,3个塔和2个过渡墩处设置横向抗风装置;主梁采用大悬臂倒梯形整体式钢箱梁,梁高4.5m;3个索塔外轮廓基本一致,均采用海豚造型,主塔柱桥面以下采用钢筋混凝土材料,桥面以上采用钢结构,副塔柱基本采用钢结构(桥塔总体布置图及典型断面图见图1、图2)。根据《港珠澳大桥桥位持续气象观测和风参数专题研究年度报告》桥位120a重现期基本风速值为V10=47.2m/s,大桥桥面标高距水面为33.8m,桥位处风切变指数为0.098,桥面设计基准风速Vd=53.18m/s。港珠澳大桥的施工期按10a计算,风速重现期系数设为0.84,施工期设计基准风速为Vsd=0.84×53.18=44.67m/s。索塔塔顶距离水面107.81m,距离水面塔高65%高度为70.08m,索塔的设计基准风速为Vd=57.12m/s,施工期设计基准风速Vsd=0.84×57.12=47.98m/s。2固有结构分析采用Ansys空间有限元动力分析程序对桥塔的结构动力特性进行了分析。结构的约束条件为桥塔的塔座底面为完全固结。桥塔的结构固有动力特性见表1。由表1可以看出,模型实测阻尼比的误差均在允许范围之内(介于混凝土和钢之间)。3模型的设计和生产3.1港珠澳大桥索塔气弹模型的模拟气动弹性模型风洞试验除了要求模型与实桥之间满足几何外形相似外,还需满足重力参数、惯性参数、弹性参数、粘性参数和阻尼参数的一致性条件。在制作港珠澳大桥索塔气弹模型时,模拟满足了几何参数、惯性参数和阻尼参数的相似条件。考虑到全桥气动弹性模型试验的要求及风洞试验段尺寸,选取索塔气弹模型的缩尺比为1∶50。索塔气动弹性模型模拟的相似性条件、索塔模型各部件的相似要求和索塔模型与实桥的相似关系,及由此计算出的索塔气弹模型控制参数具体参见文献。3.2模型试验及结果分析索塔模型由钢芯梁、外衣和配重构成。实际索塔以图纸标高7.800m作为索塔的底面,索塔实际高103.806m,按照几何缩尺比1∶50,换算到模型上的高度为2.076m。其中钢芯梁模拟结构刚度,外衣模拟索塔外形及调整质量和质量惯性距分配的配重构成。图3为索塔气动弹性模型的试验照片。主副塔柱的钢芯梁按设计的尺寸制作、焊接完成后,在设计的位置包裹模拟质量的铅皮,而后进行频率的反复调试,基本满足要求后,将42个有机玻璃制作的节段外衣按索塔外形逐次连接于钢芯梁上,并在钢芯梁的预定位置粘贴传感器。各节段间留有1mm左右的空隙,不使外衣提供刚度。气弹模型制作完成后,进行模型的动力特性测试后,进行风洞试验。测振试验选用激光位移计和加速度计测量位移响应。4风洞测试总结4.1风剖面位置及风场模拟本文风洞风场模拟主要考虑了以下2方面的相似:风速剖面和紊流度剖面的相似。根据对桥址处的风环境分析,在长安大学CA-1大气边界层风洞中,用尖塔和格栅模拟了缩尺比为1∶50,风剖面指数α=0.09的紊流风场。图4和图5分别为由实测数据拟合而得到的平均风速度剖面及沿高度的紊流度剖面。4.2均匀流和紊流场试验为考虑不利的风向影响,本试验通过转动模型模拟了模型与来流之间的7种水平风偏角。把风偏角β定义为风向和塔平面间的夹角,见图6。在均匀流和紊流场试验中模拟了β为0°、30°、60°、90°、120°、150°、180°共7种情况。模型置于CA-1风洞β机构转盘上。试验风速范围为0～12m/s,对应于桥址处65%索塔高度处的风速为0～92.4m/s。5振动响应是桥塔独立状态下5.1/3塔结构高度由参考文献可知江海直达船航道桥施工阶段65%塔高处的设计风速为47.98m/s。图7为试验所得的50m/s风速作用下塔顶和桥塔2/3高度处位移响应根方差随风向角变化曲线。从图中可以看到,桥塔抖振响应随着风偏角的增加呈非单调变化。塔顶和桥塔2/3高度处的横桥向位移响应根方差随风偏角的变化规律十分相似,在180°风偏角时响应最大(塔顶处为0.0454m,2/3塔高处为0.0016m),在150°风偏角附近达到最小值(塔顶处为0.015m,2/3塔高处为0.0006m),当风偏角超过150°后,响应随着风偏角的增加而逐渐增加。塔顶顺桥向位移响应根方差在风偏角为90°时达到最大值0.0069m。由于桥塔在塔面外为框架结构,其顺桥向刚度明显大于其横桥向刚度。因此桥塔的横桥向响应比其顺桥向响应大得多。桥塔的扭转响应也较小,扭转角响应根方差随风偏角的变化规律与顺桥向和横桥向位移响应根方差随风偏角的变化规律相似,在150°风偏角附近达到其最小值0.00031°,在180°风偏角处达到其最大值0.00083°,随风偏角的变化扭转响应曲线变化起伏较大。5.2顺桥和横桥之间位移响应比较试验结果表明:对于大多数风偏角情况,随着风速的增加,桥塔的横桥向、顺桥向和扭转位移响应均近似地按二次曲线增加(如图8所示)。对于低风速区(15～30m/s),塔顶横桥向位移响应和顺桥向位移响应相差不大;之后随着风速的增加,横桥向位移响应的增加幅度明显大于顺桥向的位移响应。随着风速的增加,位移响应曲线更接近于二次曲线函数。6桥塔自立状态通过港珠澳江海直达船航道桥桥塔自立状态气弹模型试验,研究了风偏角对大跨度斜拉桥桥塔自立状态下抖振响应的影响以及不同风偏角下桥塔自立状态的抖振响应与风速之间的关系,对全面了解和掌握施工过程中大跨度桥梁桥塔自立状态的风致振动性能,确保大跨度桥梁施工阶段的抗风安全性具有重要的意义。试验研究结果显示:桥塔自立状态下的抖振响应随风偏角的增加呈非单调变化,塔顶横桥向响应在150°风偏角附近达到最小值,在180°风偏角附近