Hans Journal of Civil Engineering
Vol. 08  No. 03 ( 2019 ), Article ID: 30267 , 7 pages
10.12677/HJCE.2019.83080

Experimental Study on Buffeting Performance of Main Bridge of Yuanhong Waterway in Pingtan Strait

Tao Hu1, Chengjing Hong2, Shixiong Zheng2

1China Railway Major Bridge Reconnaissance and Design Institute Co., Ltd., Wuhan Hubei

2School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu Sichuan

Received: Apr. 25th, 2019; accepted: May 10th, 2019; published: May 17th, 2019

ABSTRACT

Truss beams are widely used in long-span bridges because of their unique cross-section features. However, due to the large number of truss members, the wind blocking effect is obvious, and a large buffeting response is likely to occur. In this paper, the main bridge of Yuanhong Waterway in Pingtan Strait was taken as the researching object, and the wind tunnel test method was used to study the buffeting problem in the construction stage. The results showed that in the maximum single cantilever construction stage, the wind direction angle has a significant effect on the buffeting response of the structure, especially for the torsional displacement. Due to the different structural characteristics, the maximum buffeting displacement of the largest single cantilever state occurs in the transverse bridge direction, and the maximum buffeting displacement of the maximum double cantilever state occurs in the vertical bridge direction. At the design reference wind speed, the maximum buffeting displacement of the maximum single cantilever state and the maximum double cantilever state occurs at 0° and 15° wind direction angles, respectively.

Keywords:Truss-Beam Bridge, Buffeting, Maximum Single Cantilever State, Maximum Double Cantilever State

平潭海峡元洪航道主桥施工阶段抖振性能试验研究

胡涛1,洪成晶2,郑史雄2

1中铁大桥勘测设计院集团有限公司,湖北 武汉

2西南交通大学土木工程学院,四川 成都

收稿日期:2019年4月25日;录用日期:2019年5月10日;发布日期:2019年5月17日

摘 要

桁架梁因为其独特的断面特征,被广泛应用于大跨度桥梁之中。但由于桁架杆件众多,阻风效应明显,容易发生较大的抖振响应。本文以平潭海峡元洪航道主桥为工程背景,采用风洞试验方法对其施工阶段的抖振问题进行研究,结果表明:在最大单悬臂施工阶段,风向角对结构的抖振响应有明显的影响,尤其是扭转位移;由于结构特性的不同,最大单悬臂状态最大抖振位移发生在横桥向,而最大双悬臂状态的最大抖振位移发生在竖桥向;在设计基准风速下,最大单悬臂状态和最大双悬臂状态的最大抖振位移分别发生在0˚和15˚风向角下。

关键词 :桁架梁桥,抖振,最大单悬臂状态,最大双悬臂状态

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1. 引言

钢桁架结构由于刚度大、自重相对较小,被广泛应用于大跨度悬索桥、斜拉桥等结构之中 [1] 。对于大跨度桁架桥梁,由于其跨度大、结构较柔,对风的作用也更加敏感 [1] [2] 。钢桁梁结构由于杆件较多,阻风面积大,在紊流场中的抖振响应相比于其他形式的主梁要更为剧烈一些。因此,需要对大跨度桁架梁桥的抖振进行深入的研究。

目前对桥梁抖振的研究主要有数值模拟方法和风洞试验方法 [3] [4] 。数值模拟方法主要分为频域法和时域法,但对桁架梁结构的应用相对较少,且计算误差较大,故在实际的工程应用中,对桁架梁桥的抖振响应分析主要还是依赖于风洞试验。Hiroshi Tanaka [5] 对金门大桥进行了相关的风洞试验,并与现场实测数据进行对比,发现二者吻合较好。郑史雄等 [6] [7] 对武汉天兴洲长江大桥进行了风洞试验,对其施工阶段的抖振性能进行了研究分析。马存明等 [8] 对坝陵河大桥进行了风洞试验,对比分析了不同的优化措施对桁架梁抖振性能的影响。

本文以平潭海峡元洪航道主桥为工程背景,采用风洞试验方法研究其在施工阶段最大单悬臂状态和最大双悬臂状态时的抖振性能,并根据试验结果指导施工。

2. 工程背景及动力特性计算

平潭海峡元洪航道主桥132 + 196 + 532 + 196 + 132 m的双塔斜拉桥,主桥全长1188 m,为公铁两用大桥。主梁为倒梯型钢桁架,主桁采用N形桁,横向桁间距为15 m,桁高13.5 m,节间间距分14 m和12 m两种类型。斜拉索采用空间双索面,扇形布置,梁上纵向间距为14 m,锚点设在上弦节点处,横向间距35.7 m。塔上竖向索距2.5 m,横向索距44 m。主塔为变截面钢筋混凝土桥塔,塔高221.5 m,塔柱采用箱型截面,截面横桥向宽度6 m~10 m,纵桥向宽9 m~15 m。桥梁结构如图1所示。

Figure 1. Bridge structure layout (unit: m)

图1. 桥梁结构布置图(单位:m)

平潭海峡元洪航道主桥结构较为特殊、造型独特,塔较高、跨度大、弱阻尼,从结构抗风性能的角度来讲,其属于风敏结构。另外,桥位地处常年风速较高,易受台风影响的地区,桥梁所受的气象条件复杂,桥面离水面高,设计风速大,因而存在受强风作用而产生较大的风致响应的可能。因而,应针对该桥的抗风性能专门研究。

首先采用ANSYS软件对结构施工阶段中两个典型施工阶段进行动力特性分析,即最大单悬臂状态和最大双悬臂状态。桥塔各构件、主梁各杆件等均分别采用梁单元模拟;斜拉索用杆单元模拟;桥面板采用板单元进行模拟,以刚度等效的原则对板厚进行换算,二期恒载与压重采用质量单元模拟。建立的ANSYS计算模型见图2。动力特性计算结果见表1表2,典型的主梁竖弯的振型图如图3所示。

Figure 2. ANSYS model (left: maximum single cantilever state; right: maximum double cantilever state)

图2. ANSYS计算模型(左:最大单悬臂状态;右:最大双悬臂状态)

Table 1. Dynamic characteristics of maximum single

表1. 最大单悬臂状态动力特性计算结果

Table 2. Dynamic characteristics of maximum double cantilever state

表2. 最大双臂动力特性计算结果

Figure 3. Typical mode diagram in construction (left: maximum single cantilever state; right: maximum double cantilever state)

图3. 施工阶段典型振型图(左:最大单悬臂状态;右:最大双悬臂状态)

3. 试验设计

3.1. 试验模型设计

根据力学相似理论,用于风洞试验的气动弹性模型应遵循下述准则:即在原型(实桥)和模型之间保持下列无量纲参数的一致性。根据上述准则,综合考虑桥梁结构风洞模型设计要求、模型长度要求、塔高要求和西南交通大学XNJD-3大型低速风洞试验段的断面尺寸(宽22.5 m,高4.5 m),将模型的几何缩尺比和风速比定为CL = 1/80和CU = 1/8.944,由相似条件可得频率比为Cf = 8.944/1,缩尺后模型全长为14.85 m。试验模型主要参数见表3

Table 3. Test model parameters

表3. 试验模型参数

3.2. 紊流场模拟

根据现场实测数据,平潭海峡元洪航道主桥所处的位置的大气边界层接近于A类地区,即风剖面幂指数α = 0.10。为此,在风洞试验中需对边界层进行模拟。大气边界层模拟装置采用档板、尖塔、粗糙元的形式,根据模拟指标确定粗糙元排数及其间距,模拟了风剖面指数α = 0.10的湍流场。风洞试验中风剖面图和紊流度的模拟结果见图4图5。将图中的目标值和风洞试验中的实测值对比之后可以发现,两者吻合较好,能够满足试验要求。

Figure 4. Wind speed profile

图4. 风速剖面图

Figure 5. Turbulence profile

图5. 紊流度剖面图

4. 试验结果分析

将试验模型置于风洞中,来流风速从1 m/s至9 m/s逐级递增,测量结构悬臂端在紊流场中的抖振响应。在试验中来流的风向角分别取β = 0˚、β = 15˚、β = 30˚,风向角通过转动模型下面转盘来实现,其中β = 0˚为横桥向来流。

4.1. 最大单悬臂施工阶段试验结果分析

图6中列出了最大单悬臂施工阶段结构悬臂端在各风向角和风速下的最大抖振响应。从图5中的数据可以看出:

1) 对于横桥向位移而言,当风速小于67 m/s时,横桥向位移的均方根值对风向角并不敏感,而当风速大于67 m/s后,随着风向角的增大,横桥向位移均方根值逐渐减小。特别是在风速为80 m/s时,此时不同风向角的响应均方根值可以写成0.96 y0cos2β (y0为0˚风向角下的抖振响应,β为风向角),此时斜风向响应与斜风分解的Cosine近似计算法则较吻合。

2) 从竖桥向位移图中可以很明显的看出,总体而言,随着风向角的增大,竖桥向位移的均方根值逐渐减小。当有一定偏角时,气动端部效应比较明显,在大风速时(大雷诺斯)抖振响应波动较大。在风速为40 m/s~50 m/s,此时不同风向角的响应均方根值可以写成1.02 y0cos2β,此时斜风向垂向响应与斜风分解的Cosine近似计算法则也较吻合。

3) 风向角为0˚和15˚时悬臂端扭转角均方根值十分接近,说明风向角在0˚到15˚的区间内影响不大,但风向角增加到30˚之后,扭转角均方根值出现了明显的下降。对于扭转响应未发现明显Cosine规则。

Figure 6. End displacement in maximum single cantilever state

图6. 最大单悬臂施工状态悬臂端位移

4.2. 最大双悬臂施工阶段试验结果分析

图7中列出了最大双悬臂施工阶段结构悬臂端在各风向角和风速下的最大抖振响应。从图6中的数据可以看出:

1) 对于最大单臂施工状态,风向角对结构最大抖振响应的影响并不明显。这是由于最大双悬臂状态相对于最大单臂状态模态频率较小,风场主要能量集中于低频,不同测试工程的风场特性误差可能导致了测试结果无明显Cosine规律。

2) 相比于最大单悬臂施工状态,由于结构竖向刚度较弱,最大抖振响应发生在竖桥向,而对于最大单悬臂施工状态,最大的抖振响应发生在横桥向。

Figure 7. End displacement in maximum double cantilever state

图7. 最大双悬臂施工状态悬臂端位移

4.3. 抖振响应汇总

施工阶段的设计基准风速,依据《公路斜拉桥设计规范(试行)》 (JTJ027-96)之附录A,取重现期为30年,则可以确定施工阶段的设计基准风速为52.2 m/s。根据桥梁施工阶段全桥气弹模型风洞试验结果,将不同来流风向角各工况下在主梁在对应设计基准风速下的抖振响应结果列示于表4

Table 4. Buffetting response at design reference wind speed

表4. 设计基准风速下抖振响应

表4中汇总结果可以发现,在最大单悬臂施工阶段,主梁在相应设计基准风速下,来流风向角为15˚时风致抖振响应最大,而在最大双悬臂施工阶段,则是来流风向角为0˚时抖振响应达到最大值。

5. 结论

本文以平潭海峡元洪航道主桥为工程背景,研究了其在施工阶段最大单悬臂状态和最大双悬臂状态时的抖振性能,主要结论如下:

1) 在最大单悬臂施工阶段,风向角对结构抖振响应的影响比较明显,尤其是对扭转位移。并且对于横桥向位移,可以发现风速在80 m/s时位移响应和风向角之间可以满足斜风分解的Cosine近似计算法则。

2) 在最大双悬臂状态,由于结构竖向刚度较弱,最大抖振响应发生在竖桥向,而对于最大单悬臂状态,最大的抖振响应发生在横桥向。

3) 主梁在设计基准风速下,来流风向角为15˚时风致抖振响应最大,而在最大双悬臂施工阶段,则是来流风向角为0˚时抖振响应达到最大值。

文章引用

胡 涛,洪成晶,郑史雄. 平潭海峡元洪航道主桥施工阶段抖振性能试验研究
Experimental Study on Buffeting Performance of Main Bridge of Yuanhong Waterway in Pingtan Strait[J]. 土木工程, 2019, 08(03): 683-689. https://doi.org/10.12677/HJCE.2019.83080

参考文献

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