三塔懸索橋結構顫振穩(wěn)定性風洞試驗研究

三塔懸索橋結構顫振穩(wěn)定性風洞試驗研究

1間橋塔動力特性及顫振穩(wěn)定性在近年來的海上和大型越南項目中，三塔懸索橋在同一條件下比兩座塔懸索橋具有更大的橫跨能力，因此已被多次用作預備方案。與傳統(tǒng)的兩塔懸索橋相比,三塔懸索橋有著獨特的結構體系特點。如:其中間橋塔由于缺乏有效的縱向約束,使結構的整體剛度下降,并使得結構自振頻率降低,尤其是扭轉頻率的降低將對結構的顫振穩(wěn)定性產生較不利影響;同時中間橋塔的引入也致使橋梁整體結構動力性能更為復雜,結構顫振可能存在多種振型的耦合?？梢?對三塔懸索橋進行動力特性及顫振穩(wěn)定性研究是十分必要的。泰州長江公路大橋(以下簡稱泰州大橋)跨徑布置為(390+1080+1080+390)m(圖1),主梁采用封閉式流線型扁平鋼箱梁,梁寬37.1m,梁高3.5m(圖2),中塔高192m,邊塔高172m。2接觸性單元模擬動力特性分析是顫振穩(wěn)定性分析和節(jié)段模型測振試驗的基礎,采用ANSYS有限元軟件分析泰州大橋的動力特性,其中主梁、橋塔采用空間三維Beam4單元模擬,主纜和吊桿采用Link10單元模擬,為準確模擬塔柱和橫梁交接處的剛度效應,對塔柱和橫梁交接處進行剛性處理。為了分析中塔剛度對三塔懸索橋結構動力特性影響,比較中塔剛度對結構振型的參與作用,約束中塔順橋向變位。約束前、后結構主要振型和頻率見圖3。比較可以發(fā)現(xiàn),中塔的參與使得影響結構顫振穩(wěn)定性的關鍵模態(tài)的頻率降低很多,如主梁1階正對稱豎彎振型的頻率由0.151Hz降低至0.080Hz;主梁1階正對稱扭轉振型的頻率則由0.344Hz降低到0.273Hz,這勢必會引起橋梁整體結構顫振穩(wěn)定性的降低。3顫振穩(wěn)定性風洞試驗研究為深入研究泰州大橋的顫振性能以及有效提高其顫振穩(wěn)定性的氣動措施,進行了一系列的節(jié)段模型顫振試驗。采用直接試驗法,將縮尺比1∶70的剛體節(jié)段模型通過8根彈簧懸掛在外置式支架上,通過實測模型的發(fā)散風速,直接換算成實橋的顫振臨界風速。節(jié)段模型的骨架和外表都由碳纖維材料構成,這使得其整體剛度較傳統(tǒng)的芯梁加外衣模式有較大提高,同時模型重量也得到了較好的控制。成橋狀態(tài)考慮了欄桿、防撞欄以及檢修車軌道的設置。針對圖4(a)原主梁截面方案A的顫振試驗表明,在-3°、0°和+3°三種風攻角下的顫振臨界風速以+3°風攻角的情況為最低,其顫振臨界風速為45m/s,遠低于顫振檢驗風速57.4m/s的要求;針對該方案在去掉檢修車軌道后,其+3°風攻角的顫振臨界風速達到了52.5m/s。因此,為尋求有效提高該橋顫振穩(wěn)定性的氣動措施,在原主梁截面方案A的基礎上,針對加設不同形狀的風嘴和優(yōu)化檢修車軌道位置后的主梁截面方案(圖4)進行了一系列的顫振穩(wěn)定性風洞試驗。針對加尖角形風嘴主梁截面方案B,+3°風攻角情況下的顫振臨界風速達到了53.2m/s,顫振穩(wěn)定性有了較大的提高;同樣,針對該方案在去掉檢修車軌道后,其+3°風攻角的顫振臨界風速達到了63.2m/s,滿足了顫振檢驗風速的要求。因此,把氣動措施研究的重點放在風嘴形狀選擇和檢修車軌道位置優(yōu)化這2個方面是正確的?；谏鲜隹紤],針對圓弧形風嘴截面方案C和尖角形風嘴截面方案D進行了不同風攻角下的顫振穩(wěn)定性試驗研究。結果表明,圓弧形風嘴和尖角形風嘴均提高了主梁截面的顫振性能。但圓弧形風嘴在+3°風攻角下的主梁截面顫振臨界風速為54.8m/s,仍未滿足顫振檢驗風速57.4m/s的要求。將檢修車軌道移到尖角形風嘴截面方案D的上斜板位置后,+3°風攻角下的顫振臨界風速達到了62.9m/s,滿足了顫振穩(wěn)定性要求。各個方案不同風攻角下的顫振臨界風速匯總見圖5,值得一提的是,在直接顫振法試驗時,顫振發(fā)散的振動形態(tài)都表現(xiàn)為單自由度扭轉顫振,而非彎扭耦合顫振。4階振型階振特性根據(jù)節(jié)段模型所測得的主梁斷面顫振導數(shù)結果,利用三維耦合顫振分析方法對泰州大橋成橋狀態(tài)+3°風攻角下橋梁結構的顫振穩(wěn)定性進行分析,分析過程中橋梁結構各固有模態(tài)的結構阻尼比均取為0.005,并采用自振特性分析的前30階模態(tài)作為顫振的參與模態(tài)從圖各階振型阻尼比隨風速變化曲線可以看出,隨著風速增加,各階模態(tài)阻尼和頻率均發(fā)生了變化,其中主梁1階正對稱扭轉振型(第15階振型)的阻尼比變化最為顯著,由正變負,顫振以該階振型形態(tài)為主。與此同時,通過圖7振型頻率隨風速變化曲線也可以發(fā)現(xiàn),顫振發(fā)生時第15階振型的頻率由0.273Hz衰減到0.231Hz,對應的顫振臨界風速為64.6m/s,與直接顫振法風洞試驗獲得的顫振臨界風速62.9m/s很接近,表明了三維耦合顫振分析方法在求解該橋顫振臨界風速方面具有很高的精度。從圖8的振型參與圖可明顯看出,顫振時第15階振型所占的能量占絕大部分,這與節(jié)段模型試驗得出的扭轉顫振的現(xiàn)象吻合,說明顫振主要由扭轉參與。5主梁氣動型鋼優(yōu)化(1)為了保證中塔鞍座與主纜間的抗滑設計需求,三塔懸索橋的鋼中塔的彈性使得結構部分振型頻率降低,尤其是扭轉和豎彎振型頻率的降低,使得結構整體的顫振穩(wěn)定性成為此類橋梁抗風設計的關鍵。(2)主梁氣動外型優(yōu)化是提高三塔懸索橋整體顫振穩(wěn)定性的重要途徑,合適的風嘴外形與優(yōu)化的檢修車軌道布置可以顯著地提高閉口鋼箱梁三塔懸索橋的顫振臨界風速。(3)顫振形態(tài)的研究對于把握該