桥面横向连接对双幅桥梁抗风性能的影响_孟晓亮.pdf

振动与冲击 第 卷第 期 基金 项 目 桥 梁 结 构 抗 风 技 术 交 通 行 业 重 点 实 验 室 开 放 课 题 收稿日期 修改稿收到日期 第一作者 孟晓亮 男博士讲师 年生 桥面横向连接对双幅桥梁抗风性能的影响 孟晓亮 朱乐东 上海工程技术大学城市轨道交通学院上海同济大学土木工程学院上海 同济大学土木工程防灾国家重点实验室上海 摘要以泉州海湾桥两种结构形式双幅桥面主梁方案为背景通过数值计算研究了两种双幅桥面结构的结构动 力特性通过风洞试验研究了桥梁颤振稳定性和涡激共振性能研究结果表明是否存在桥面横向连接对双幅桥的结构 固有动力特性影响较大无横向连接双幅桥面较有横向连接双幅桥面的模态特征更复杂其竖弯和扭转基频均会出现双 幅桥面同向运动和反向运动两种模态在气流作用下无横向连接双幅桥面和有横向连接双幅桥面的主梁运动形式不同 两种结构形式双幅桥面的颤振稳定性能和涡激共振性能存在显著差异双幅有横向连接主梁的气动稳定性优于双幅无横 向连接主梁但前者的涡激共振性能要差于后者 关键词结构风工程双幅桥面动力特性气动稳定性涡激共振 中图分类号 文献标志码 交通量的急剧增长导致了国内外道路交通工程行 车道数越来越多但作为连接道路跨越沟堑的桥梁结构 却因为建筑美学力学及建设能力各方面的限制而不能 将桥面建的太宽或者由于既有桥梁的通行能力已经 不能满足交通量发展的需求需要在既有桥梁的相邻桥 位处修建一座新桥因此近年来国内外相继出现了 数座双幅或多幅桥面桥梁双幅桥面桥梁结构形式各具 特色但从桥面间的连接形式来说可以分为多幅桥面间 有横向连接和多幅桥面间无横向连接两类如 宁波甬江大桥佛山平胜大桥及青岛海湾 红岛桥都是采用双幅主梁中间无横向连接的结构形式 而墨西拿海峡大桥上海长江大桥西堠门大桥昂船 洲大桥等均采用双幅或多幅主梁中间有横向连接的 结构形式以往的研究多是针对有横向连接双幅桥面相 对于单幅桥面颤振性能的提高和对涡激共振的不利影 响 或者是针对无横向连接双幅桥面间气动干扰效 应的研究 但鲜见有文献对两种结构形式的桥梁的 气动性能做系统比较因而使得大跨度多车道桥梁在概 念设计阶段缺少气动特性方面的参考本文以泉州海湾 ChaoXing 跨海大桥的两个设计方案为背景探讨双幅横向有连接 半封闭箱梁桥面和双幅横向无连接半封闭箱梁桥面的两 种结构方案在动力性能及气动性能上的差别 工程背景 泉州海湾桥位于福建省泉州市桥址处基本风速 为 通过对当地交通现状的调查和对今后交 通量增长的预期规划泉州海湾桥主桥采用双向八车 道并在上下行线外侧各设置一条宽 的紧急 停车带由于车道数多设计采用上下行线桥面分离的 双幅桥面方案主桥结构拟采用双塔斜拉桥主跨 跨中基准高度 见图 主梁设计 基准风速为成桥运营状态 施工状 态 主塔采用三塔柱门式混凝土桥塔其中左右 幅桥面共用中间塔柱见图两种方案主梁的外 形相似区别仅在于桥面间的横桥向连接并且有横 向连接的桥面内侧无风嘴见图 图两种 方案的平面布置见图 图 图泉州海湾桥总体布置 结构动力特性分析 采用大型通用有限元软件 对泉州海湾桥 两种主梁形式的结构进行动力特性分析其中主梁 主塔桥墩采用三维梁单元斜拉索采用空间杆单元 并利用 公式考虑斜拉索垂度效应引起拉索材料 等效弹性模量的改变两种结构方案桥梁计算得到的 一阶竖弯和一阶扭转频率对应的模态参数如表所 示两种方案桥梁对应的成桥运营状态模态振型如 图所示 通过比较表和图可知双幅桥面间的横向连 接使得整个桥梁结构的动力特性呈现出较大差异以 成桥运营状态为例由于连接横梁的存在有横向连接 两幅桥面间不存在刚体位移表现出与常规单幅桥面 桥梁相似的模态特征即结构仅存在单纯的一阶竖向 弯曲振型和一阶扭转振型由于采用门式桥塔结构 抗扭刚度相对较低加上有横向连接双幅桥面主梁的 质量多分布于两侧主梁质量惯性矩大结构扭转频率 低仅有 结构扭弯频率比为 对于无 横向连接双幅桥面两幅桥面间除与主塔相连的拉索 间接联系外再无其他相对约束因此两幅桥面间很 容易产生刚体位移该位移反映在模态特征上就是 两幅桥面将会出现同向运动和反向运动模态同向和 反向竖弯频率分别为 和 扭转频率 分别为 和 实际上从两幅主梁的 相对位置关系来看无横向连接方案的反向竖弯模态 与有横向连接方案的一阶扭转模态相似但因为没有 横向连接前者的反向竖弯基频较后者的一阶扭转频 率有一定程度的降低对于扭转模态两幅主梁同向 运动模态首先出现并且扭转振型与主梁竖向弯曲振 型有明显的耦合从图 右侧主梁的反向扭转振型 中可知主梁除具有扭转位移外其主跨在顺桥向还呈 现类似于两个正弦波的竖弯波形对于施工最长单悬 臂状态主梁间的横向连接对结构动力特性的影响表 现相似 注从左至右分别为竖弯立面图扭转立面图扭转侧面图 图两种双幅桥面结构桥梁成桥状态竖弯和扭转模态 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 表两种结构方案的结构主要模态参数 结构形式 横向有连接 实桥模型 横向无连接 桥面同向位移 实桥模型 桥面反向位移 实桥模型 成 桥 施 工 注括号中的数据为涡振对应频率 综上所述桥面间有横向连接的双幅桥梁与桥面 间无横向连接的双幅桥梁在结构动力特性上有着明显 的差异双幅桥面间有横向连接结构的模态与一般单 幅桥梁相似而双幅桥面间无横向连接结构一阶竖 弯和扭转将会出现同向运动和反向运动两种模态 节段模型风洞试验概况 泉州海湾桥主梁设计基准风速为 根据 主梁设计基准风速计算得到的成桥运营阶段和施工阶 段的颤振检验风速分别为 和 本 文采用节段模型风洞试验的手段研究这两种双幅桥面 结构的抗风性能由于只有三个自由度节段模型试 验不能很好的解决全桥实际振型与节段模型振型的差 异因此本文放弃对横向无连接双幅桥面结构中两 幅桥面相对位移约束关系通过与主塔相连的拉索间 接联系的模拟并认为由此带来的误差在目前的研究 中可以接受仅以横向有连接双幅桥面桥梁结构的一 阶竖弯和扭转模态及横向无连接双幅桥面桥梁结构的 一阶横向对称竖弯和一阶横向对称扭转模态为根据 通过相似关系得到桥梁主梁节段模型的相关试验 参数 所有试验均在同济大学 大气边界层风洞中进 行该风洞试验段尺寸为 宽 高 长试验风速 连续可调流场不均匀指标 低于 紊流度低于 试验中双幅有横向 连接主梁节段模型由根弹簧悬挂在内置式支架上 而双幅横向无连接主梁节段模型的每个主梁各由根 弹簧悬挂在内置式支架上如图所示两个模型的 缩尺比根据主梁断面尺寸和风洞试验段尺寸确定取 颤振试验节段模型频率比取 风速比约为 涡激共振实验节段模型频率比取 风速比约 为 刚体节段模型的骨架由铝合金材料焊接而 成铝合金骨架长 桥面用三夹板和高密度泡 沫塑料板模拟实际桥梁断面的几何外形利用有机玻 璃板模拟成桥运营状态时桥面栏杆及梁底检修车轨道 等附属结构 图两种双幅桥面结构桥梁主梁节段模型 根据节段模型风洞试验的相似性原则除保持风 洞试验模型与实桥之间的几何外形相似外弹性参数 惯性参数以及阻尼参数还应满足一致性条件在进行 节段模型质量系统模拟时考虑全桥振动效应和振动 空间特性的主梁等效质量和等效质量惯矩见表其 中对成桥运营状态与施工状态的模拟通过改变桥面 检修栏杆防撞护栏的设置并调整相应的等效质量和 等效质量惯矩来实现 气动稳定性能 采用直接试验法对两种方案的成桥运营状态和施 工最长单悬臂状态进行了 和 三种攻角下的 竖弯和扭转两自由度耦合颤振试验节段模型的竖弯 及扭转振动响应均方根值随风速的变化曲线如图 图所示其中风速和振幅均已换算为实桥对 应值 第期孟晓亮等桥面横向连接对双幅桥梁抗风性能的影响 ChaoXing 图成桥运营状态桥面竖向振动均方根值风速曲线 图成桥运营状态桥面扭转振动均方根值风速曲线 图施工状态桥面扭转振动均方根值风速曲线 比较图 图的数据可知两种结构形式的双幅 桥面在成桥运营状态和施工最长单悬臂状态下的气动 稳定性均满足要求横向有连接双幅桥面主梁和横向 无连接双幅桥面主梁的颤振临界风速均远远高于结构 的颤振检验风速 和 对比两种结 构的位移风速曲线确可以发现两种结构在风作用 下的气动响应随风速的变化规律却存在着较大的差 别这种差别主要表现在在发生颤振失稳前横向有 连接的双幅桥面主梁的风致振动位移响应均方根值随 着来流风速的增加呈现出比较平滑的渐渐增大的规 律而双幅横向无连接的桥面振动位移虽然大体上也 呈现风速越大振动越剧烈的趋势但振动均方根值 风速曲线却表现出明显的波折并且两幅桥面位移均 方根值曲线的波折程度虽然不同但波折的规律非常 相似这可能是因为在来流的作用下气流在经过两 幅桥面时会受到两幅桥面振动作用的影响而改变断 面外部绕流的形态这就使得两幅桥面间产生气动相 互干扰作用 由此可能导致在某些风速下两幅 桥面的振动都被放大 图施工状态桥面扭转振动均方根值风速曲线 试验中对于横向有连接双幅桥面主梁当来流风 速大于 时其仍然保持着良好的气动稳定性 如图所示而无横向连接双幅桥面在施工状态 攻角下观察到了软颤振现象两幅桥面的位移时程曲 线类似于正弦波振动幅值随着风速不断增加没有出 现明显的颤振发散形态如图所示并且下游桥面 的振动幅值始终要大于上游桥面软颤振发生的风速 约为 可以看出虽然双幅无横向连接桥面结 构施工最长单悬臂状态的扭转基频高出双幅有横向连 接桥面结构扭转基频的 但双幅有横向连接桥 面主梁的气动稳定性却明显优于双幅桥面无横向连接 结构分析其原因可能来自两个方面一方面是因为 双幅有横向连接桥面质量惯矩较大较大的质量惯矩 提高了有横向连接桥面的颤振稳定性另一方面双幅 桥面在被连接横梁相连后形成具有中央槽的分离断 面中央槽在改善桥梁断面的颤振稳定性能上效果显 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing 著而对无横向连接的双幅桥面结构有研究表明双 幅桥面与气流之间的耦合作用产生相互干扰而不利于 其颤振稳定性 图无横向连接主梁的软颤振位移信号 涡激共振性能 本文对双幅桥面横向有连接主梁和双幅桥面横向 无连接主梁在风攻角 内进行了涡激共振试 验同时为了说明双幅桥面间的气动相互干扰效应 将虚拟的单幅桥面两侧对称设置风障横断面见图 情况下的涡振试验结果也同时给出如图所示图 中风速和振幅均已换算为实桥对应值表给出 了涡激共振试验中部分出现涡振工况下对应节段模型 的阻尼比涡振锁定风速区间和数 图双侧设置风障的单幅桥面 图两种断面的涡振位移对比 从表可知对于双幅桥面有横向连接主梁仅在 风攻角下观测到了较大振幅的竖向涡激共振最 大涡振振幅为 对应实桥风速约 涡 激共振锁定风速区间为 未发现扭转 涡激共振对于无横向连接的双幅桥面主梁在 风攻角范围内未发现有明显的竖向涡激 共振和扭转涡激共振现象而对于虚拟的单幅桥面桥 梁在 和 风攻角下均出现了明显的竖向涡 激共振其中无横向连接的双幅桥面主梁最大竖弯 涡振振幅发生在 风攻角为 对应实桥风 速约 单幅桥面在 风攻角下观测到了明 显的扭转涡激共振最大振幅 对应风速为 扭 转 涡 激 共 振 发 生 的 锁 定 风 速 区 间 为 综合来看横向无连接双幅桥面的涡 振性能要优于横向有连接双幅桥面 通过对比两种结构形式的双幅桥面主梁与虚拟单 幅桥面的涡激共振性能可以看出双幅桥面主梁的涡 激共振性能较单幅桥面会产生很大的差别这种差别 有可能放大或者减弱桥梁结构在风的作用下发生涡激 共振的振幅也有可能改变主梁断面的数从而改变 桥梁结构涡激共振的锁定风速区间比如 风攻 角下单幅桥面的数为 但横向有连接双幅桥 面的数为 数降低了约值得指出的 是本文中的数是根据涡振起振风速间接得到故对 于在试验风速范围内未观测到涡振的工况利用测振 方法很难得到其数故表中未列出相应的数 结果 表涡振风速锁定区间及 数 攻角工况自由度阻尼比 锁定区间数 单幅桥面竖弯 有横向连接竖弯 无横向连接竖弯 单幅桥面竖弯 有横向连接竖弯 无横向连接竖弯 单幅桥面竖弯 有横向连接竖弯 无横向连接竖弯 单幅桥面扭转 有横向连接扭转 无横向连接扭转 注无横向连接阻尼比数据第一个为上游桥面第二个为下游桥面 双幅桥面外围的流场结构图如图所示用以 解释双幅桥面涡振性能产生差异的原因可以看出 第期孟晓亮等桥面横向连接对双幅桥梁抗风性能的影响 ChaoXing 双幅桥面上下游主梁的外部绕流流场差异显著上游 桥面受到来流作用下游桥面处于上游桥面的尾流区 受来流和上游桥面尾流的共同作用由于结构形式的 不同导致两类双幅桥面的涡振性能不同一方面横 向有连接的双幅桥面在气流的作用下进行同振幅同 相位整体运动而双幅无连接的桥面在气流的作用下 却会根据各自受到的气流作用而产生响应因此两幅 相对独立桥面在不同荷载作用下的响应的相关性可能 与被横梁连成整体的有连接双幅桥面不同另一方面 桥面附近气流的绕流形态也会因为双幅桥面各自的运 动形式与横向有连接桥面外部的绕流形态而产生差 异因此就形成了两种差异明显的涡激共振特性另 外比较双幅桥面主梁的涡激共振性能和其中一幅桥 面的涡振性能可以发现双幅桥面的涡激共振性能相 比相似气动外形的单幅桥面也产生了较大的改变这 可能是因为另外一幅桥面的存在及其运动而改变了气 流作用在桥梁断面上的力也有可能是因为双幅桥面 的数的变化导致涡振锁定风速区间超出了试验风速 范围虽然如此本文试验风速范围已经超过了泉州 海湾桥的主梁设计基准风速 图双幅桥面外围流场 结论 通过对泉州湾跨海大桥主桥两种双幅桥面结构方 案结构动力特性桥梁气动稳定性能及涡激共振性能 的对比研究得到以下结论 泉州海湾桥横向有连接双幅桥面结构和横向 无连接双幅桥面结构两种结构的动力特性存在着显著 差异其中横向有连接方案的主要竖弯和扭转模态与 常规单幅桥面桥梁相似但横向无连接双幅桥面会出 现两幅桥面同向和反向的竖弯与扭转模态 泉州海湾桥两种结构形式的双幅桥面结构均 能满足颤振稳定性要求但横向无连接方案双幅桥面 的气动稳定性要差于横向有连接双幅桥面的气动稳 定性 泉州海湾桥横向有连接双幅桥面和横向无连 接双幅桥面的涡振性能较单幅桥面的涡振性能有较大 变化横向无连接双幅桥面的涡激共振性能要优于横 向有连接双幅桥面 参 考 文 献 郭震山孟晓亮周奇等既有桥梁对邻近新建桥梁三 分力系数的气动干扰效应 工程力学 杨盳昕葛耀君项海帆大跨度桥梁中央开槽颤振控制 效果和机理研究 土木工程学报 陈政清牛华伟刘志文平行双箱梁桥面颤振稳定性试 验研究 振动与冲击 陈政清牛华伟李春光并列双箱梁桥面风致涡激振动 试验研究 湖南大学学报 振 动 与 冲 击年第卷 ChaoXing