武汉四环线汉江大桥抗风性能研究_郑群华

范围内（－１２°≤α≤＋５）均为正值，这说明主 梁 断 面具备气动稳定的必要条件。
图 ２ 成 桥 状 态 主 梁 断 面 三 分 力 系 数 曲 线
２ 气 动 参 数 风 洞 试 验
气动参数包括 主 梁 的 三 分 力 系 数、气 动 导 数 和气动导纳等，它 们 均 可 通 过 节 段 模 型 风 洞 试 验 获得，模 型 缩 尺 比 采 用 １∶５０ 且 模 型 的 长 度 为 ２．０９５ｍ。为控 制 模 型 的 质 量 及 质 量 惯 矩，并 保 证模型自身具有 足 够 刚 度，模 型 除 人 行 道 栏 杆 采 用 塑 料 板 制 作 外 ，其 余 部 分 均 采 用 优 质 木 材 制 作 。
根据气象资料，大 桥 区 域 的 地 表 粗 糙 度 属 于 Ｃ 类，参阅《公路桥梁抗风设计规范》（ＪＴＧ Ｄ６０－ ０１－２００４）［１］，成桥状态桥面高度处的设计基 准 风 速为２８．３７ｍ／ｓ。如果取２０ 年重现 期，施 工 阶 段 的 设 计 基 准 风 速 为 ２４．９６ ｍ／ｓ。
汉江大桥主桥 跨 度 大、桥 塔 高，桥 面 宽，为 缆 索 承 载 的 柔 性 桥 梁 体 系 ，这 种 桥 梁 相 对 刚 度 小 ，阻 尼低，是风致 振 动 的 敏 感 结 构［２－３］，有 必 要 通 过 风 洞 试 验 和 必 要 的 计 算 分 析 ，考 察 主 梁 的 气 动 特 征 ， 确保大桥的抗风 安 全 和 使 用 期 间 的 舒 适 性，必 要 时采取一定的气动措施 。 ［４］ 本文主要通过风 洞 试 验 ［５］，获 取 主 梁 的 静 力 系 数 、涡 激 振 动 和 颤 振 稳 定
图 ４ 动 力 模 型 试 验 照 片
采用直接测 量 法 进 行 颤 振 试 验 时，要 求 模 型 段模型的阻尼比根据《公路桥梁抗风设计规范桥》 系统满足动力节 段 模 型 的 相 似 律，即 要 求 模 型 与 （ＪＴＧ Ｄ６０－０１－２００４）的 建 议 值，偏 安 全 的 取 值 原型（实桥）之间 保 持 弹 性 参 数、惯 性 参 数 和 阻 尼 为１．０％。同时，通 过 全 桥 气 弹 模 型 风 洞 试 验，测 参数等３组无量纲参数一致。颤振稳定性试验节 定了该桥的颤振临界风速。表２列出了该桥具体
２０１７ 年 第 ３ 期
郑 群 华 ：武 汉 四 环 线 汉 江 大 桥 抗 风 性 能 研 究
５７
５ 静 风 稳 定 性 分 析
６ 结 论
为检验汉江大 桥 的 静 风 稳 定 性 能，应 用 三 维 静 风 失 稳 模 型 ，在 综 合 考 虑 几 何 、静 风 荷 载 非 线 性 的 基 础 上 ，采 用 修 正 的 增 量 与 内 外 ２ 种 迭 代 方 法 ， 编制了非线性静 风 稳 定 性 分 析 程 序，基 于 有 限 元 软件 ＡＮＳＹＳ对桥梁从稳定到失稳的全过程进行 分析。 主 梁 静 风 响 应 随 风 速 变 化 过 程 见 图 １０ 及 图 １１。
主 梁 、桥 塔 和 桥 墩 离 散 为 空 间 梁 单 元 ，主 梁 的 质量和质量惯性 矩 则 采 用 质 量 点 单 元 来 模 拟；斜 拉索采用空间杆 单 元，并 直 接 与 主 梁 上 的 刚 臂 单 元进行联系；索 塔 各 构 件 均 采 用 空 间 梁 单 元。 在 计算过程中，不 考 虑 支 座 的 弹 性 和 位 移。 根 据 设 计 资 料 ，成 桥 状 态 结 构 的 边 界 约 束 条 件 为 ：主 梁 顺 桥 向 自 由 度 放 松 ，主 梁 的 扭 转 自 由 度 约 束 ；竖 向 和 扭转自由度和辅助墩的竖向和扭转自由度设为主 从 约 束 关 系 ；主 梁 和 桥 塔 相 接 的 区 域 ，横 向 和 竖 向 为 主 从 约 束 关 系 ，顺 桥 向 约 束 放 松 ；所 有 桥 墩 底 部 设 置 为 固 定 约 束 ，不 考 虑 桩 － 水 － 土 的 相 互 作 用 。 图１为成桥状态、施 工 过 程 中 ２ 种 状 态 的 有 限 元 分析模型。
图 ３ 施 工 状 态 主 梁 断 面 三 分 力 系 数 曲 线
３ 颤 振 稳 定 性 试 验
颤振性能对桥梁结构的安全很重要。通过主 梁动力节段模型 风 洞 试 验，可 以 初 步 评 估 该 桥 的 抗风稳定性，试 验 在 西 南 交 通 大 学 ＸＮＪＤ－１ 工 业 风洞第二试验段中进行。动力试验所用的节段模 型与静力试验的 模 型 相 同，并 在 模 型 两 端 设 置 端 板 ，以 保 证 主 梁 断 面 气 动 绕 流 的 二 维 特 性 ，由 ８ 根 拉伸弹簧悬挂在 支 架 上，形 成 可 竖 向 运 动 和 绕 模 型轴线转动的二自由度振动系统。试验支架置于 洞 壁 外 ，以 免 干 扰 流 场 ，见 图 ４。
臂 状 态 下 ，桥 梁 的 一 阶 振 型 表 现 为 主 梁 悬 臂 竖 摆 ，
二阶振型表现为 桥 塔 反 对 称 横 弯；在 最 大 单 悬 臂
状 态 下 ，桥 梁 的 一 阶 振 型 表 现 为 桥 塔 反 对 称 横 弯 ，
二阶振型表现为桥塔正对成横弯。
表 １ 汉 江 大 桥 在 成 桥 状 态 和 施 工 状 态 时 的 动 力 特 性
总 第 ２８２ 期 ２０１７ 年 第 ３ 期
交 通 科 技 Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｔｉｏｎ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ＤＯＩ １０．３９６３／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７１－７５７０．２０１７．０３．０１７
Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．２８２ Ｎｏ．３Ｊｕｎ．２０１７
武汉四环线汉江大桥抗风性能研究
４ 涡 激 振 动 试 验
涡激共振通常 发 生 在 较 低 的 风 速 下，其 振 动 形式通常为竖向涡振和扭转涡振。因为节段模型 缩尺比较大，模型 中 能 较 好 模 拟 出 各 种 影 响 涡 激 振动性能的细部 构 造，因 此 涡 激 振 动 性 能 的 评 定 以节段模型试验结果为依据。通过主梁节段模型 试验测定涡激振 动 的 发 振 风 速、振 幅，并 根 据 《公 路桥梁抗风设计规 范》对 主 梁 的 涡 激 振 动 特 性 作 出评价。图５～图９为成桥状 态 在 均 匀 流 工 况 下 各攻角涡激振动响应幅值与风速的关系。
郑群华
（武 汉 西 四 环 线 高 速 公 路 建 设 管 理 有 限 公 司 武 汉 ４３００１５）
摘 要 为研究武汉四环线汉江大 桥 抗 风 性 能，计 算 了 施 工 状 态 和 成 桥 状 态 结 构 的 动 力 特 性 ，通 过试验测量主梁的三分力系数值，评价了汉江大桥的颤振和 涡 振 性 能，最 后 进 行 静 风 稳 定 性 分 析 。 试验及计算分析结果表明，汉江大桥 颤 振 临 界 风 速 高 于 检 验 风 速，涡 激 振 动 最 大 振 幅 小 于 规 范 容 许 值 ，静 风 失 稳 临 界 风 速 较 高 ，整 体 抗 风 性 能 良 好 。 关键词 斜拉桥 风洞试验 涡振 颤振 静风稳定
＞８２
０
＞８０
＞８２
Fra Baidu bibliotek
＋３ ７８．１
＞８２
＋５ ６２．５
＞８２
－５ ＞７０
＞８２
－３ ＞７０
＞８２
０
＞７０
＞８２
＋３ ＞７０
＞８２
＋５ ＞７０
＞８２
颤振检 验风速 ／（ｍ·ｓ－１）
４６．３
４０．７４
由 表 ２ 可 见 ，无 论 是 成 桥 状 态 还 是 施 工 状 态 ，
各攻角下的颤振临界风速均大于相应的颤振检验
后程序自动在全域 内 进 行 搜 索，得 到 ０°攻 角 下 三
维颤振分析的结 果，成 桥 状 态 和 施 工 状 态 的 颤 振
临界风速值 均 大 于 １５０ ｍ／ｓ，大 于 节 段 模 型 试 验
和全桥气弹模型 试 验 得 到 的 结 果，这 表 明 汉 江 大
桥 颤 振 性 能 良 好 ，安 全 富 余 度 高 。
静力三分力系数是风致响应计算分析所必须 的气动力参数。试验在西南交通大学单回流串联 双试验段工业风 洞 的 第 二 试 验 段 中 进 行，试 验 来 流为均匀流，成桥 状 态 和 施 工 状 态 的 三 分 力 系 数 见图２和图３。试验结果 表 明，在 零 攻 角 情 况 下， 成 桥 状 态 主 梁 的 阻 力 系 数 为１．１２５ ３，施 工 状 态 为 ０．６８８ ２。 无 论 在 成 桥 状 态 或 施 工 状 态 ，升 力 系 数 曲 线 和 力 矩 系 数 曲 线 的 斜 率 在 较 大 的 正 、负 攻 角
桥梁状态 振型序号
１
成桥状态
２
３
１
最大双悬臂
２
３
１
最大单悬臂
２
３
频 率／Ｈｚ ０．２００ ４ ０．４６７ ６ ０．４７９ １ ０．３４４ ５ ０．６２０ ３ ０．６６５ ０ ０．４６８ １ ０．５０２ ６ ０．６３９ ８
振型特点 主梁纵飘 桥塔反对称横弯 桥塔反对称横弯 主梁第一阶竖弯 桥塔反对称横弯 桥塔对称横弯 桥塔反对称横弯 桥塔对称横弯 主梁第一阶横弯
武汉市 四 环 线 为 双 向 ８ 车 道，设 计 速 度 １００ ｋｍ／ｈ 的 高 速 公 路 ，标 准 路 基 宽 度 为 ４１．０ ｍ，荷 载 等级公路－Ｉ级。 汉 江 大 桥 连 接 武 汉 市 东 西 湖 区 和 蔡 甸 区 ，是 武 汉 市 四 环 线 的 重 要 过 江 通 道 、跨 越 汉江的控制性工程。主桥为双塔预应力混凝土边 箱 梁 斜 拉 桥 ，跨 径 组 成 为７７ ｍ＋１００ ｍ＋３６０ ｍ＋ １００ｍ＋７７ｍ，主桥 全 长 ７１４ ｍ，拉 索 采 用 平 行 双 索 面 布 置 ，锚 固 于 主 梁 两 侧 ；桥 塔 采 用 钢 筋 混 凝 土 Ｈ 型塔。由于拉索锚固区及风嘴需要占用一定 宽 度 ，主 桥 断 面 全 宽 ４３．６ ｍ。
性等。
１ 结 构 动 力 特 性 计 算 分 析
１．１ 计 算 模 型 采用大 型 通 用 有 限 元 分 析 软 件 ＡＮＳＹＳ，对
汉江大桥成桥状态和施工过程中的最大单悬臂、 最大双悬臂状态等３种工况进行建模分析。由于 该 桥 主 梁 约 束 扭 转 刚 度 的 影 响 较 小 ，因 此 采 用 “鱼 骨 式 ”单 主 梁 的 力 学 模 型 。
图６ 攻角 －３°竖向涡振响应（成桥态） 图 ７ 攻 角 ０°竖 向 涡 振 响 应 （成 桥 态 ） 图 ８ 攻 角 ＋３°竖 向 涡 振 响 应 （成 桥 态 ）
图 ５ 攻 角 －５°竖 向 涡 振 响 应 （成 桥 态 ）
图９ 攻角 ＋５°竖向涡振响应（成桥态）
由图５～ 图 ９ 可 见，在 ０°，－３°，－５°工 况 下， 没有出现明显 的 涡 激 共 振 现 象，在 ＋３°和 ＋５°工 况下出 现 了 竖 向 涡 激 共 振 现 象。 参 考 文 献 第 ［１］ ７．２．６条，基于人体舒适度的 考 虑，主 梁 涡 激 振 动 振幅须小于 规 定 的 容 许 值。 成 桥 状 态：主 梁 竖 向 涡振振幅容许值［ｈａ］＝０．０５６ ８ ｍ。 可 见，汉 江 大 桥的涡振性能满足要求。
收 稿 日 期 ：２０１６－１２－０６
图 １ 有 限 元 分 析 模 型
２０１７ 年 第 ３ 期
郑 群 华 ：武 汉 四 环 线 汉 江 大 桥 抗 风 性 能 研 究
５５
１．２ 动 力 特 性 计 算 结 果
汉江大桥在最 大 双 悬 臂 状 态、最 大 单 悬 臂 状
态和成桥状态下的动力特性 见 表 １。 在 最 大 双 悬
风 速 ，该 桥 的 颤 振 稳 定 性 均 满 足 设 计 要 求 。
通过悬索桥三 维 多 模 态 耦 合 颤 振 分 析，也 可
以得到桥梁的颤振临界风速。根据三维颤振分析
理 论 ，编 制 三 维 颤 振 数 值 计 算 程 序 进 行 颤 振 分 析 ，
人为指定参与模 态、无 量 纲 风 速 搜 索 范 围 和 步 长
５６
郑 群 华 ：武 汉 四 环 线 汉 江 大 桥 抗 风 性 能 研 究
２０１７ 年 第 ３ 期
的颤振临界风速结果。
表 ２ 实 桥 颤 振 临 界 风 速
状态
成桥 状态
施工 状态
攻角
实 桥 临 界 风 速／（ｍ·ｓ－１）
／（°） 节段
全桥气弹
模型试验
模型试验
－５ ７４．８
＞８２
－３ ７５．９