贵州天门特大桥抗风性能研究

韦定超　张磊

摘要 悬索桥由于跨度大、刚度小、阻尼低，极易发生不利的风致振动和较大的风荷载效应。文章以贵州天门特大桥为研究对象，介绍了该悬索桥主桥的抗风设计主要过程。首先介绍桥梁的基本设计参数、风速参数，采用了有限元分析方法给出了主要模态及频率。进一步介绍了基于节段模型的颤振稳定性试验研究，以及静气动力系数试验结果。最后给出了等效静风荷载作用下桥梁的风荷载响应。通过研究表明，桥梁能够满足颤振稳定性等抗风检验要求。

关键词 悬索桥；节段模型；颤振稳定性；静气动力系数

中图分类号 U441.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）16-0141-03

0 引言

近年来，随着悬索桥跨度的不断增大，桥梁结构变得更柔、阻尼更小，因此对风荷载的敏感程度也不断增减，桥梁结构抗风稳定性问题日益突出[1-2]。随着我国西部建设的加速，大量山区高速公路被提上建设日程，作为高速公路关键节点的山区大跨度桥梁的建设也取得了高速发展。与传统桥梁抗风所关注的跨海及跨江大桥不同，山区峡谷的大跨桥梁由于桥址处地形变化剧烈，导致桥址处风效应显著，对山区峡谷悬索桥抗风性能有极大影响[3-4]。因此，山区峡谷大跨度桥梁的抗风设计是目前桥梁抗风研究的重点，也是保证山区大跨度悬索桥安全运营的关键。

1 研究进展

目前，针对大跨桥梁的抗风性能研究，相关学者已经开展了大量研究。王凯等[5]针对大跨山区峡谷悬索桥的抗风性能开展优化试验研究，得到了满足抗风性能的最优抑振措施，研究成果能为类似桥梁的设计提供依据。翟晓亮等[3]针对某山区峡谷大跨桥梁的风致振动特性和抗风性能开展试验研究，确定了该风场环境下的最优主梁设计方案。张瑞林等[6]基于节段模型风洞试验，对某悬索桥桁架梁的后颤振特征与机理开展研究。张新军等[4]开展了考虑静风效应叠加下的斜风作用对悬索桥流线型箱梁成桥状态及施工过程中的颤振稳定性研究，结果表明必须综合考虑静风和斜风效应对大跨悬索桥的不利影响。He等[7]通过风洞试验和本征正交分解法，分析了流线型扁箱梁的主要几何参数（如主梁高宽比和风嘴角度等）对其气动性能的影响。刘小兵等[8]基于风洞试验开展某山区峡谷大跨人行悬索桥抗风性能研究，结果表明该桥具有较好的涡振性能和颤振稳定性。

贵州天门特大桥为双塔三跨的悬索桥，主缆边跨分别为254 m及188 m，主缆中跨820 m；两岸主塔采用钢筋混凝土塔柱结构，为外倾门形框架，主塔塔高分别为195.0 m及135.0 m；主梁采用钢桁加劲梁（板桁组合结构），主桁为带竖杆的华伦式桁架，主桁上、下弦杆采用箱形截面，标准节段竖腹杆、斜腹杆采用“工”形截面，端节段则采用箱形断面；两岸均采用重力式锚碇。桥梁总体布置图和主梁横断面布置图分别如图1所示。该文拟通过节段模型风洞试验的方法，针对大桥的抗风性能展开研究，为大桥的抗风设计提供依据。

2 风速参数

根据《公路桥梁抗风设计规范（JTG/T 3360-01—2018）》[9]，大桥桥位处相邻有毕节与安顺，参照规范中安顺地区基本风速取值为24.6 m/s；毕节地区基本风速26.3 m/s。该桥桥位距离毕节地区约124 km、距离安顺约105 km，利用规范中规定的反距离插值方法，确定出桥位的基本风速为25.4 m/s。该基本风速下，天门特大桥抗风风险区域为R2等级；结合桥位周边地形地貌卫星图片及场地特征，可确定风场场地地表类别为D类，风剖面指数α=0.30，粗糙高度z₀=1.0 m。根据抗风规范，可得天门特大桥主梁处设计基准风速为43.2 m/s（100年重现期）。在+3°、0°、?3°风攻角下，主桥的颤振稳定性检验风速为67.1 m/s；在±5°风攻角下，成桥阶段的颤振稳定性检验风速要求有所降低，为47.0 m/s。

3 结构动力特性分析计算

桥梁结构动力特性分析是大跨桥梁风致响应分析的基础，为了进行风荷载作用下的结构振动响应分析，必须先获得其动力特性参数[10]。为此，采用数值分析方法以获取天门特大桥成桥状态的动力特性参数。

天门特大桥成桥状态典型振动频率及振型描述如表1所示。根据表1分析结果可以看出，桥梁影响颤振的关键频率为一阶正对称竖弯和正对称扭转频率，频率分别为0.185 1 Hz与0.344 8 Hz，相应的扭弯频率比为1.86。

4 主梁节段模型试验

主梁节段模型测振试验主要模拟结构的一阶竖向和扭转方向两个自由度的振动特性，采用洞外支架悬挂，模型几何缩尺比λ_L=1∶60。节段模型的骨架为桁架结构，由铝合金型材和镀锌板焊接而成。桥面和风嘴采用木材雕刻而成，桥面栏杆和检修轨道选用ABS材料雕刻而成。颤振试验的节段模型主要参数如表2所示。试验在均匀流场中进行，并考虑了?5°、?3°、0°、+3°、+5°五种不同的风攻角。

4.1 主梁节段颤振稳定性试验

检验结构达到颤振临界风速的标准是系统阻尼比是否为0。图2给出了不同风攻角作用下主梁的扭转阻尼比随折减风速变化曲线。通过试验发现，天门特大桥在0°、±5°及±3°风攻角下的颤振临界风速分别为84.0 m/s、63.0 m/s、70.0 m/s、73.5 m/s、70.0 m/s。在±3°风攻角内，大桥最不利的颤振临界风速为70.0 m/s，大于67.1 m/s的檢验风速要求；在±5° 两个大角度风攻角作用下，最不利的颤振临界风速为63.0 m/s，大于47.0 m/s的检验风速要求。

4.2 主梁节段测力试验

节段模型测力风洞试验针对成桥状态断面开展了?12～+12°共计25个风攻角的试验工况。全部测力节段模型风洞试验都是在均匀流场中进行的。试验结果包括主梁竖向的静风阻力和阻力系数、静风升力和升力系数以及静风升力矩和升力矩系数。图3给出了静气动力系数随风攻角变化曲线。其中，取?3～+3°最不利系数可作为风荷载设计依据，相应的阻力系数为1.162、升力系数为0.301、升力矩系数为0.01。

5 结构静风荷载效应

对天门特大桥主桥成桥状态在等效静阵风荷载作用下的响应进行计算，以保证桥梁在运营过程中的抗风安全。为此开展了等效静风荷载下的风荷载效应分析。分析过程中，采用等效静阵风速Ug作为风荷载施加的输入参数，其中Ug=GvUd=1.37×43.2=59.2 m/s。通过分析得出静风荷载位移如表3所示。有分析结果可见，在等效静阵风荷载作用下主梁竖向变形0.075 m，主梁跨中侧向位移为0.243 m，且跨中侧向变形小于主跨跨径1/150的检验要求。

6 结论

天门特大桥是典型的山区峡谷钢桁架主梁悬索桥。该文通过节段模型风洞试验的方法，对天门特大桥在风荷载作用下的颤振稳定性及风荷载进行了试验研究与分析。根据分析得到如下主要结论：

（1）桥梁的一阶正对称竖弯和扭转频率分别为0.185 1 Hz与0.344 8 Hz，扭弯频率比为1.86。

（2）成桥状态下，在?3°、0°、+3°风攻角中颤振不利风攻角为?3°，相应的颤振临界风速为70.0 m/s，满足67.1m/s的检验要求；在?5°与+5°两个风攻角下最不利的颤振临界风速为63.0 m/s，满足47.0 m/s颤振检验要求。

（3）通过节段模型测力试验得出成桥状态主梁的阻力系数为1.162、升力系数为0.301、升力矩系数为0.01。

（4）在等效静阵风荷载作用下主梁竖向变形0.075 m，主梁跨中侧向位移为0.243 m，且跨中侧向变形小于主跨跨径1/150的检验要求。

参考文献

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[4]张新军， 应赋斌， 赵晨阳. 斜风下大跨度悬索桥颤振稳定性研究[J]. 土木工程学报， 2022（4）： 68-75.

[5]王凯， 廖海黎， 刘君. 山区峡谷大跨钢桁梁桥抗风特性试验研究[J]. 振动与冲击， 2014（19）： 169-174.

[6]张瑞林， 杨鸿波， 刘志文， 等. 桁架加劲梁悬索桥后颤振特性节段模型试验研究[J]. 振动与冲击， 2022（5）： 1-8.

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[8]刘小兵， 姜会民， 赵煜程， 等. 山区峡谷大跨度人行悬索桥抗风性能试验研究[J]. 世界桥梁， 2022（2）： 57-63.

[9]中华人民共和国行业标准. 公路桥梁抗风设计规范： JTG/T 3360-01—2018[S]. 北京：人民交通出版社， 2018.

[10]朱乐东. 桥梁涡激共振试验节段模型质量系统模拟与振幅修正方法[J]. 工程力学， 2005（5）： 204-208.