朝天門長江大橋運營狀態(tài)氣彈模型風(fēng)洞試驗抖振分析

王賢亮  李正良  王承啟  晏致濤

(重慶大學(xué)土木工程學(xué)院  重慶  400045)

    重慶朝天門長江大橋地處重慶市主城中央商務(wù)區(qū)，西接江北區(qū)的五里店立交．東接南岸區(qū)渝黔高速公路黃桷灣立交，是重慶主城區(qū)向外輻射的東西向快速主干道。主橋為190m+552m+190m的三跨連續(xù)中承式鋼桁系桿拱橋，在同類型橋梁中，主跨552 m居世界第一；設(shè)計為上、下雙層橋面，上層橋面為雙向6車道，寬36m，下層為雙向輕軌和兩個預(yù)留車道。

    朝天門大橋主跨長，自重輕，屬于柔性結(jié)構(gòu)，并且鋼桁架拱橋在我國修建不多，為了確保其在成橋運營后的安全性和適用性，對其進(jìn)行風(fēng)致抖振響應(yīng)分析就顯得十分重要。

    確定抖振響應(yīng)一般有三種基本方法，即抖振頻域計算法、節(jié)段模型試驗法和全橋氣彈性模型試驗法。其中用抖振頻域計算法求得的位移響應(yīng)只對應(yīng)于某一階振型的共振響應(yīng)而沒有包括背景響應(yīng)。而節(jié)段模型試驗法中不能考慮模態(tài)耦合影響．而且不能模擬紊流度剖面。在全橋模型試驗法中，可以比較好地模擬風(fēng)速剖面和紊流度剖面，而且也可以考慮模態(tài)的耦合，全橋模型試驗可以很好地反映模型的位移響應(yīng)隨風(fēng)速變化的全過程，根據(jù)實測的位移響應(yīng)可以得到豎向、側(cè)向總的位移響應(yīng)均方根值。利用1：100的全橋氣動彈性模型，在中國空氣動力研究與發(fā)展中心低速所8m×6m風(fēng)洞中對該橋的成橋運營狀態(tài)的抖振響應(yīng)進(jìn)行了試驗研究。

1.成橋運營狀態(tài)氣彈性風(fēng)洞試驗

    在保證來流條件的相似性外，氣動彈性模型必須滿足外形、剛度、質(zhì)量及結(jié)構(gòu)阻尼相似。以上相似準(zhǔn)則可歸納為5個無量綱量：雷諾數(shù)、弗勞德數(shù)、柯西數(shù)、密度比及臨界阻尼。

    朝天門大橋氣動彈性模型是由鋼骨架、外衣、拉索和支座系統(tǒng)等4個部分構(gòu)成的。模型設(shè)計過程中采用了集中剛度法，即模型的剛度完全由鋼骨架提供。鋼骨架規(guī)格尺寸等是通過ANSYS建模分析而得，其不但滿足彎曲剛度、軸向剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的相似比要求，而且其模型的動力特性與實橋的動力特性滿足相似準(zhǔn)則，即模型的頻率是實橋頻率的l0倍(圖1、圖2、表l)。整個外衣是用ABS硬板材和優(yōu)質(zhì)木材電腦雕刻后手工粘結(jié)而成，同時采用鉛塊來補(bǔ)充外衣質(zhì)量(扣除鋼骨架和外衣本身質(zhì)量)并貼其內(nèi)側(cè)(具體位置根據(jù)相應(yīng)質(zhì)量慣性矩而定)。為避免外衣剛度參與鋼骨架受力，模型組裝時外衣按一定的間距分段，段與段之間保留lmm空隙。模型拉索是由Φlmm(部分Φ2mm)按實際外形的縮尺比考慮的銅芯柔軟導(dǎo)線制成。拉索上均勻固定了相應(yīng)的小鉛塊配重，其連接處串有根據(jù)軸向剛度等效的拉伸彈簧。

    在成橋運營狀態(tài)氣彈性風(fēng)洞試驗前采用強(qiáng)迫振動法測量模型的結(jié)構(gòu)動力特性。其中，根據(jù)模型響應(yīng)數(shù)據(jù)得到各主要模態(tài)的參數(shù)。試驗結(jié)果表明模型重要模態(tài)的固有頻率測試值與要求值吻合良好，因此氣動彈性模型的設(shè)計與制作是滿足試驗要求的。

2.試驗結(jié)果與分析

    試驗通過改變流場(均勻流，湍流)、來流風(fēng)速及風(fēng)向角B(0。，45。，67，5。，90。。風(fēng)向角為來流方向與橋梁縱向的夾角)等，來研究朝天門大橋成橋狀態(tài)時在大氣流場中抖振響應(yīng)特性。試驗數(shù)據(jù)經(jīng)處理后可以分別得到關(guān)鍵部位的均勻流和湍流下加速度的均方根值和位移的方根值。限于篇幅，文中僅列部分?jǐn)?shù)據(jù)(圖3、圖4)。

    試驗結(jié)果表明朝天門大橋成橋狀態(tài)在設(shè)計風(fēng)速范圍內(nèi)風(fēng)致抖振響應(yīng)均以湍流下B=90o時為最大；并隨口減小而減小，但是在各試驗風(fēng)向角下，實際風(fēng)速一直達(dá)85 m／s左右時結(jié)構(gòu)的加速度和位移響應(yīng)都相對比較小。最大的加速度均方根值在風(fēng)速80m／s內(nèi)不超過0．6 m／b2 ，最大位移響應(yīng)均方根值不超過80 mm(圖3)且沒有產(chǎn)生發(fā)散性振動及不穩(wěn)定振動，滿足安全性要求。

    參照國外行車管理規(guī)定，若取允許行車的最大風(fēng)速為25 m／s，則朝天門大橋主梁跨中最大豎向加速度均方根值為湍流狀態(tài)下的0.32m／s2 ，根據(jù)IS0一2631的規(guī)定，對于頻率小于l Hz的豎向振動人體可以接受的最大加速度均方根值為1.5 m／s2 ，因此在全橋運營狀態(tài)下朝天門長江大橋滿足舒適度的要求。

3.結(jié)論

    通過對特大公軌兩用三跨連續(xù)中承式鋼桁系桿拱橋——重慶朝天門長江大橋的成橋狀態(tài)氣動彈性模型試驗以及分析，可以得出如下結(jié)論：

    (1)通過ANYS建模分析制作出的全橋氣彈橫型能很好地滿足風(fēng)洞試驗對剛度、質(zhì)量等的相擬比要求。

    (2)試驗來流分別為平均流和瀉流時其風(fēng)速在85m／s以內(nèi)，全橋運營狀態(tài)下的橋粱結(jié)構(gòu)在不同風(fēng)向角下的位移和加速度抖振響應(yīng)都隨風(fēng)速增大而增大，但其響應(yīng)值都比較小，沒有產(chǎn)生發(fā)散性振動及不穩(wěn)定振動，滿足橋粱安全性的要求。

    (3)在允許行車的最大風(fēng)速內(nèi)，橋梁最大豎向加速度均方根值小于人體可以接受的最大豎向加速度均方根值，滿足行車舒適度的要求。

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(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：尚雯瀟 尹維維 編輯  文徑 審核)