大型索塔桥梁的风洞试验

大型索塔桥梁的风洞试验

吴绍波

吴绍波

广州市穗高工程监理有限公司广东广州510000

摘要：随着桥梁工程施工技术和材料科学的发展,现代桥梁结构不断向大、轻、柔方向发展。桥梁结构对风的作用更加敏感,风产生的升力和推力或扭转力矩导致结构产生的弯曲和扭转振动问题也越来越受到重视。本章主要对大型索塔桥梁的风洞试验进行了探讨。

关键词：索塔桥梁；风洞；实验方法

风灾是最常见、最严重的自然灾害之一，风对人类的危害，有相当一部分是通过对结构物的破坏而产生的，大量研究表明，跨度结构、高耸结构和超高层建筑都是典型的风敏感结构，风力的影响是控制其设计的最主要的因素，必须给予足够的重视，并进行充分的研究。由此看来，对于大型桥梁也必须进行风洞试验。风洞就是用来研究空气动力学的一种大型试验设施。

1风洞试验的意义

风洞其实不是个洞，而是一条大型隧道或管道，里面有一个巨型扇叶，能产生一股强劲气流。在风洞中安置桥梁模型，研究气体流动及其与模型的相互作用，以了解实际桥梁的空气动力学特性的一种空气动力实验方法。

一座大型塔索的斜拉桥，一般来说，跨度较大，索塔较高，主梁桥面会较宽。这种桥型的结构特点对纵向、横向风荷载甚为敏感，有时尽管主梁顶板与底板相差较大，致使导风角（风嘴、腹板倾角）会较小，对抗风有利，设计中也会考虑一些其它抗风减振措施（如设置阻尼装置），并进行了相关的一些计算，但为了安全保险起见，一般讲来还是应对施工状态和成桥状态的桥塔、主梁，斜拉索及全桥进行相应的风洞试验及分析，以掌握大桥的抗风性能和可能的减振措施，确保桥梁的抗风稳定性。因此，风洞试验还是必须进行的。

据了解，现在绝大部分的索塔桥都坚持做了风洞试验，但也不排除少数的建设单位，限于工程投资的短缺，仅要求设计单位进行较细致的抗风振计算，而省略了风洞试验这一工作。但我们认为，理论计算的建模，多有理想化的简化和假设，程序设计上也有误差，其计算结果与实际情况有不同程度的出入，其可信度可能不如试验结果。在风洞试验中，测出桥梁的阻力，升力和扭矩系数后，便可确定桥梁的驰振稳定性，如果升力曲线出现了负斜率值，则桥梁的驰振稳定性不满足要求。

2工程实例

某大桥主桥系184m+460m+184m双塔PC梁斜拉桥，主桥全长828m，采用密索体系，全桥共152对斜拉索，按双索面扇形布置，主梁截面形式为分离式双箱梁，索塔采用H型。最大单悬臂状态结构的最大悬臂长度为228.5m，塔高172.5m。

3风致响应计算分析

自然风作用下桥梁结构的响应主要由两部分构成：一是结构在静风荷载作用下的响应；二是结构受脉动风作用发生抖振所引起的响应。静风荷载下结构的位移和内力根据试验测得的三分力系数，采用有限元方法计算获得。成桥状态的抖振位移采用节段模型试验测得的气动参数，根据抖振分析理论计算得到。静风响应及抖振响应采用自行开发的桥梁结构科研分析软件BANSYS(BridgeAnalysisSystem)进行计算分析。

3.1静风响应

静风作用下，对于主梁按下列公式计算出作用于桥道上的静风荷载：

式中：ρ为空气密度；H为梁高；B为梁宽；L为长度；CH、CV、CM分别为主梁的阻力系数、升力系数、力矩系数，由静力节段模型试验提供。

3.2抖振响应

抖振响应采用频域分析方法，假定大气紊流为平稳随机过程，根据风速谱，考虑桥梁结构的传递函数，基于随机振动理论，最后得到抖振响应的统计量。其中抖振力采用准定常表达，自激力采用Scanlan基于颤振导数的表达形式。抖振位移分析中有代表性地选取了10阶模态，其中横向振动2阶，竖向振动6阶，扭转振动2阶，抖振位移分析参与模态如表1所示。

表1抖振位移分析参与模态

中竖向及扭转颤振导数采用加权整体最小二乘法进行识别，而侧向颤振导数通常仅考

虑前三项，可采用拟定常近似形式：

式中：

CD为阻力系数；

CD′为阻力系数曲线斜率；

K为折算频率。

4气弹模型风洞试验

气动弹性模型能较准确地反映结构与空气的动力相互作用，气弹模型风洞试验的目的是在全面模拟结构的动力特性和三维流动特性的条件下，考查桥梁的静动力稳定性及风致振动特性。在气动弹性模型设计中，刚度参数、质量参数的一致性条件需要严格满足，才能保证模型的结构动力特性、模型的位移、内力等力学参量与原型相似。已有研究表明：对于中等跨度的斜拉桥，斜拉索的振动对结构整体振动影响较小，故气弹模型设计中放松了重力参数相似性的要求，从而提高试验风速，增加试验结果的可靠性。

考虑到该桥最大单悬臂施工状态的主梁长度(184m+228.5m)和西南交通大学XNJD-1风洞第一试验段的尺寸(3.6m宽×3.0m高)，将模型的几何缩尺比和风速比分别取为CL=1/130和CU=1/6.5，由相似条件可得频率比为Cf=20/1。在常压下的大气边界层风洞中，满足粘性参数(雷诺数)的一致性条件较为困难。对于桥梁结构这类钝体而言，由于气流的分离点相对固定，雷诺数条件的差异并不显著影响其模型与原形之间的流态相似，忽略雷诺数相似将不会给试验结果带来明

显误差。

结构阻尼参数在模型设计和制作中难以仅靠其本身达到要求，经验表明：气动弹性模型的结构阻尼比通常都低于实桥值，为了使试验结果更接近于要求值，试验中通过安装液质阻尼器(振动中利用液体的粘性耗能)，使模型主要模态的阻尼比达到1%左右。气动弹性模型由反映结构刚度的芯梁、模拟几何形状的外模及配重组成。主梁的顺桥向弯曲刚度、横桥向弯曲刚度及扭转刚度均需满足相似性要求，根据以往的设计经验，采用由A3钢加工成的组合截面芯梁形式。经反复调整截面尺寸，芯梁截面精确地满足了上述三个刚度的相似性要求，芯梁截面的最终刚度由ANSYS计算确认。桥塔各部件仅考虑顺桥向弯曲和横桥梁向弯曲。斜拉索仅考虑拉伸刚度。

通过对大跨度斜拉桥风洞试验和计算分析的对比研究，可得出如下结论：

(1)最大单悬臂状态结构静风响应主要表现为主梁的侧向变形，该变形的计算值与试验较为

吻合。

(2)静风引起的竖向位移及扭转角较小，试验值随风速的变化曲线存在一定的波动，计算分析结

果曲线从试验曲线中间穿过，两者整体趋势一致。

(3)主梁悬臂端竖向抖振位移试验曲线与计算曲线变化趋势一致，位于气动导纳函数分别为Sears函数和1的两条计算曲线之间，更接近于Sears函数的计算曲线。

(4)当风速较低时(实桥风速30m/s以下)主梁悬臂端扭转抖振试验结果与气动导纳函数为Sears函数时的计算曲线非常接近，而当风速较高时(实桥风速30m/s以上)试验结果位于两种导纳对应的计算曲线之间，这表明风与桥梁扭转振动的相互作用对结构的振幅具有依赖性。

(5)结构侧向抖振位移试验值较计算值要大，这可能与计算分析中未考虑桥塔及斜拉索上的脉动风荷载有关，此外，气动参数的近似性和试验测试误差也会导致产生差异。

5结束语

总之，风荷载已成为大跨径桥梁的设计控制荷载，而钝体空气动力学理论上的缺憾使得风洞试验成为桥梁抗风性能研究的主要手段。桥梁风洞试验的方法，手段以及试验仪器已得到很大发展和完善，但其依旧存在风洞试验费用昂贵，需亟待解决的主要问题之一。

大型索塔桥风洞试验，可考虑择其主要项目进行，将大大减少建设工程的试验投资费用。但风洞试验专业性很强，为减少不必要的损失，在选择其主要项目进行时，还建议多找一些科研单位、高等院校或设计单位的专家咨询一下，集思广益，再作试验选择项目试验的决定。

参考文献

[1]项海帆.进入21世纪的桥梁风工程研究[J].同济大学学报,2002,30(5)

[2]JTG/TD60-01-2004,公路桥梁抗风设计规范[S].北京:人民交通出版社,2004