某人行景观悬索桥抗风性能试验研究

某人行景观悬索桥抗风性能试验研究

许福友，谭岩斌，张哲，陈国芳

(大连理工大学土木水利学院，大连 116024)

摘 要：通过全桥气弹模型试验对均匀和紊流场、3种风攻角宿迁黄河公园景观桥风振响应性能进行了研

究；对风速高度变化修正系数的理论计算值与规范值作了对比，分析其偏差原因。研究结果表明:地表越粗糙、高度越低，修正系数差值越大；40m高度以上两种结果非常吻合；黄河公园景观桥在三种攻角条件下，都未发现明显的涡激振动，且满足气动稳定要求；即使高风速条件下，抖振位移标准差也有可能高于平均值；均匀和紊流场中位移峰值因子及其比值分别主要分布在区间[2.5，4]和[0.8, 1.2]内；峰值因子与风场、风速、攻角之间基本不存在明确对应关系；本文研究结果对风振理论分析中峰值因子的合理取值提供很好参考。

关键词：人行景观桥；风洞试验；抖振；峰值因子

中图分类号：U448.25 文献标识码：A 现代城市交通流量飞速增长，迫使城市交通实现立体化，为保证行人与车辆双方的交通流畅及安全，城市人行桥得到了迅速的发展。人行桥不仅满足使用功能上的需要，还要向着体现以人为本的设计理念方向发展。因此往往作为城市标志性建筑而存在。采用钢材建造的斜拉桥和悬索桥，作为柔性轻逸结构更能给城市增添了活力和点缀，因此受到设计师和行人的青睐。有些人行桥往往较窄，宽度在5m 左右即可满足通行能力，此时由于人行荷载或风荷载引起的桥梁振动问题可能比较严重，需要采取抑振和减振措施。

基金项目:国家自然科学基金资助项目(50708012)、高等学校博士点新教师基金(20070141073) 收稿日期:2008-07-

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22.0Pimentel [1]研究了来自人群行走时竖向荷载引起的人行桥振动，并根据设计要求对其进行评估。伦敦千禧桥[2]在人行荷载作用下表现为保持平衡状态的竖向、侧向和扭转耦合滚动，被称为“Holland Rotation”（荷兰式滚动）。Nakamura [3]通过现场实测研究了某人行悬索桥的侧向振动，为振动分析提供了第一手资料。法永生[4]通过模拟人行随机荷载激励对人行桥进行了人致振动时程分析并对其舒适度进行了评价，给出可行的减振措施并预测减振效果；建立了适合于评估人行桥振动烦恼率的舒适度量化指标，提出了考虑人行桥竖向与侧向耦合振动时的综合评价方法。孙利民教授[5]对人行桥人行激励竖向振动的国内外现有规范和标准进行了比较研究，并探讨了针对侧向人行激振的振动使用性设计方法。在参考国外规范的基础上，建议确定竖向和侧向人行激振荷载的计算公式。Flaga [6]通过理论分析研究了风荷载作用

下某人行悬索桥的气动特性。Tanaka [7]通过在某人行悬索桥跨中添加紧扣缆索与主梁的夹锁装置，可以大大减小跨中竖向挠度，提供颤振临界风速，且抑制了涡激振动。国内外对人行桥进行风洞试验很少，李文勃[8]通过节段模型风洞试验研究了深港皇岗/落马洲人行斜拉桥抗风性能。有关人行桥气弹模型风洞试验至今未见相关文献报道。

宿迁黄河公园景观桥为单跨105m 人行悬索桥，是宿迁城市标志性建筑。虽然该桥跨度不大，但加劲梁

采用钢桁架梁(图1)、高 图1主梁桁架断面 (单位：cm)

1.4m 、宽4.8m ，结构既窄，又轻。本文通过全桥气弹模型风洞试验对其涡振、抖振和颤振抗风性能进行研究。

1. 几种风速的确定

徐州宿迁地区基本风速为25.6m/s [9]。宿迁黄河公园景观桥桥位属于C 类风场，梯度风高度为400m ，风速剖面指数=α。标准风场，即B 类风场梯度风高度为350m ，16.0=α。桥面高出水面5m ，因此设计基准风

速为：V =17.2m/s 。

而根据抗风规范22.016

.)400/5(10/3506.25××=）（d [9]提供的C 类风场5m 高度处风速高度变化修正系数K 为0.86，即25.6×0.86=22 m/s 。由此可见，两种结果差别非常明显。主要原因如下：自然界风场被

人为分为A 、B 、C 、D 四类，风速剖面指数是区分风场类型的一个重要指标。每种风场的指数都是理想化的近似拟合参数，自然界中很难发现严格服从某类风速剖面的个例。在接近地面的区域，某种风场类型实际风速剖面可能与其理想计算结果相差很远，有时计算结果可能会低于实际风速，此时如果采用硬套计算公式结果就会使抗风设计偏于危险。因此为了安全考虑，在接近地面较低区域修正系数取值比公式计算值偏高，根据大量统计数据获得。图2为四类风场风速高度变化修正系数与高度的关系曲线图。

K

Z (m)

K

Z (m)

(a) (b)

图2 风速高度变化修正系数图

由图2(a)可知：在低于梯度风高度区域，相同高度A 、B 、C 、D 四类风场风速高度变化修正系数依次降低，换言之，四类风场相同高度风速依次降低，达到各自梯度风高度处，修正系数都达到1.77。图2(b)给出了40m 高度范围内四类风场风速高度变化修正系数理论计算值和规范[9]提供值。由此可见：A 类风场两种值吻合很好；B 类风场在5m 高度处，两种值相差较大，10m 高度以上基本吻合；C 类风场在10m 高度范围内，两种值相差较大，15m 高度以上基本吻合；C 类风场在40m 高度范围内，两种值相差很大，40m 高度以上基本吻合。

该桥主跨长105m ，按C 类场地计算、考虑风速脉动影响及水平相关特性的无量纲修正系数f μ＝1.43，同时还需考虑风洞试验误差及设计、施工中不确定因素的综合安全系数K ＝1.2。则成桥状态的颤振检验风速：

8.372243.12.1=××==d f cr V K V μm/s

2．全桥气弹模型设计、制作和调试

2.1 结构动力特性计算

采用ANSYS 有限元程序，对宿迁黄河公园景观桥成桥状态进行了空间结构动力特性计算。结构约束条件为：桥塔与承台底面完全固结，主梁与桥塔一端采用固定铰支座联结，另一端采用滑动铰支座联结。主梁桁架、桥塔塔柱和横梁、采用BEAM4单元模拟，主缆和吊杆采用

LINK10单元模拟，节点板、桥面铺装、栏杆、鞍座采用MASS21单元模拟。风洞试验关心的实桥几阶模态频率列于表1。模型缩尺比为1：40，对应风速比和频率比分别为1:6.32和6.32:1。

表1 模态参数

振型特点 实桥频率(Hz ) 模型目标 频率(Hz ) 模型实际 频率(Hz ) 误差(％)阻尼比

(％) 一阶对称竖弯0.912 5.768 5.88 1.9 1.86 一阶对称侧弯0.948 5.996 6.43 7.2 1.25 一阶反对称竖弯 1.030 6.514 6.26 -3.9 2.42 一阶对称扭转

2.120 1

3.41 13.27 -1.0

0.66

2.2 桥梁构件模拟

主缆模拟应考虑质量、气动阻力和轴向拉伸刚度相似要求。实桥主缆横断面为圆形，气动阻力与雷诺数有关。采用弹簧及直径φ=0.3mm 的高强钢丝模拟主缆拉伸

刚度，用直径为6mm 的铝棒串于钢丝上来满足主缆质量及作用于主缆上的气动阻力的相似。实桥主缆阻力系数采用0.8，模型主缆钢丝和铝棒阻力系数采用1.2。

主桁采用铝条模拟桁架刚度，采用ABS 板雕刻桁架构件模拟主桁外形。选用铝合金材料制作脊骨梁，其横向、竖向弯曲刚度以及扭转刚度应模拟主桁对应刚度。计算思路如下：首先建立实际结构有限元分析模型，计算得到主要基频（一阶侧弯、竖弯和扭转频率）；然后考虑主梁外衣、桥面铺装、栏杆和配重质量要求，选用合适铝合金梁面积，严格根据结构实际质量和质量分布另加质点单元，建立等效梁有限元模型，以两种模型振动频率尽可能逼近为目标，试算得到合适的铝合金梁尺寸。主桁外衣选用2mm 厚ABS 板雕刻拼装制作，采用强力胶将其固定在脊骨梁上。桥面铺装选用9段0.5mm 厚ABS 板模拟制作，相邻两段留有2mm 宽缝隙，以避免相邻外衣发生相互摩擦和碰撞。

桥塔塔柱和横梁采用有机玻璃作为刚性骨架，以模拟刚度，外套有机玻璃外衣，以模拟外形，外衣与刚性骨架采用单点连接，以避免外衣刚度的参与，配重采用钢块。本桥桥面较低，离地(水)面仅5m，换算到模型只有12.5cm。本试验给桥塔添加了高度为16cm 的刚性底座。这样模型桥面离风洞底距离接近30cm，更利于风场模拟。桥塔安装到底座后，对其沿桥轴向弯曲、横桥向弯曲及扭转频率进行了测试，与目标偏差都在5%以内。 2.3 模态调试

模型安装完成后，首先对其进行模态调试，一般而