《大跨獨塔斜拉橋異形索塔抗風性能研究》論文發表期刊：《公路工程》；發表周期：2020年06期

《大跨獨塔斜拉橋異形索塔抗風性能研究》論文作者信息：劉新華（1981—），男，山東濰坊人，教授級高工，主要從事橋梁設計與科研工作。

　　[摘要]廣東佛山同濟大橋主橋為主跨200 m的獨塔雙索面混合梁斜拉橋。考慮到佛山地域文化、旅游產業、景觀等多種因素，索塔整體曲線采用曲率變化大的“佛手”造型，截面采用雙“橢圓”形截面。該異形索塔造型新穎、截面構造及受力復雜，國內鮮有案例。首先介紹了該橋塔的設計關鍵技術，對索塔承載力進行了仿真分析，然后通過有限元分析及索塔自立狀態氣彈模型風洞試驗，探明了索塔的靜力及動力抗風性能。結果表明，橫風作用下索塔不會發生大幅渦激共振和馳振，抖振幅值較小，具有良好的抗風性能，可為類似橋塔設計提供參考。

　　[關鍵詞]斜拉橋;索塔;變截面;抗風性能;氣彈模型風洞試驗

　　[ Abstract] Guangdong Foshan Tongji Bridge is a single-tower double-cable-plane hybrid-beam cable-stayed bridge with a main span of 200 m. Considering the regional culture, tourism industry, ano landscape of Foshan, the tower shape of this bridge is designed as a buddha' s-hand with large curvature change. The cross-section of the tower is a double-elliptical-section. This tower is a novel structure which is uncommon in previous designs, with complex cross-section and force distribution. In this study, the key technologies of the specially-shaped tower design is introduced. With the finite element analysis and the wind tunnel test of the tower' s self-supporting aeroelastic model. the static and dynamic wind esistance of the tower is studied. The results show that no vortex induced vibration and galloping occur under cross wind and the buffeting amplitude is relatively small. The design of the tower provides some valuable reference for similar bridges.

　　[ Key words] cable-stayed bridge; tower; variable cross section; wind-resistance performance; wind tunnel test on aero-elastic model

　　1工程概況

　　廣東佛山同濟大橋位于佛山市禪城區，跨越綠島湖和東平水道。橋梁全長989m，包括主橋、引橋和輔道橋。主橋為獨塔雙索面混合梁斜拉橋，采用(200 + 68+ 46)m的橋跨布置，主橋標準橋寬38.6 m。邊跨主梁選用混凝土箱型斷面，頂板厚30 cm，底板厚45 cm，腹板厚35 cm，箱梁內設縱向加勁肋，厚30cm，縱向每6m設一道橫隔板，橫隔板厚45 cm;中跨主梁選用PK斷面鋼箱梁，梁高3.5 m，全寬38.6 m(包括風嘴)，頂板設有雙向2%的橫坡;鋼-混凝土結合面設置于靠近中跨索塔處。主塔采用CSo混凝土，全高125 m。索塔每側各設15對斜拉索，斜拉索采用扇形空間雙索面布置，塔上索距2.2-2.8 m，梁上索距12.0 m。

　　該橋設計主要技術標準為：道路等級為一級公路;設計車速為60 km/h;荷載等級為公路-1級;通航凈空為10.85 m(二級航道)。

　　2“佛手”造型索塔設計

　　同濟大橋主橋索塔造型設計時，結合佛山的地方文化，呼應當地正大力發展的旅游觀光產業，在設計階段對傳統的塔形加以優化，共設計了多種方案并對其進行了對比和論證[-3]。綜合考慮構造的合理性、橋梁景觀、地方文化特色等，并且兼顧施工、造價等因素，最終采用曲線變截面的“佛手”造型方案。該方案突出了斜拉橋輕盈、高聳、簡潔的完美形象，與周圍環境風格和諧統一;同時，索塔的截面形狀近似于“橢圓”，與傳統的矩形、多邊形等截面索塔相比，具有更好的抗風性能[-3。索塔全高125 m，橫梁以上塔柱高100 m，橫梁以下塔墩高25 m。索塔由上塔柱、中塔柱、下塔柱和下橫梁構成，上塔柱高度為50.5 m，為橢圓形單箱單室曲線變截面，順橋向寬度由塔頂7m直線漸變到上塔柱底7.8 m，橫向寬度由塔頂4.5m曲線漸變到上塔柱底8.87 m，順橋向塔壁厚為1.5 m，橫橋向塔壁厚為1.5 m;中塔柱高為51 m，采用單箱單室截面，順橋向寬度由中塔柱頂7.8m直線漸變到中塔柱底8.6 m，橫向寬度由中塔柱頂4.8m直線漸變到中塔柱底5.4 m，順橋向塔壁厚為1.5 m，橫橋向厚為1.0m;下塔柱高23.5 m，采用單箱單室截面，順橋向寬度由下塔柱頂8.7 m直線漸變到下塔柱底8.9 m，橫向寬度由下塔柱頂6.3m直線漸變到下塔柱底7.4 m，順橋向塔壁厚為1.5 m，橫橋向塔壁厚為1.5 m。主塔橫梁采用單箱雙室截面，高6m，寬6m，頂底板厚0.5 m，腹板厚1 m。索塔采用C50混凝土，除橫梁為全預應力混凝土構件外，其余部分均為鋼筋混凝土構件。索塔結構如圖2所示。

　　3索塔承載力分析

　　為了驗證索塔尺寸設計的合理性，對索塔自立和成橋狀態建立有限元模型，并對索塔受力進行分析。有限元模型如圖3所示。

　　荷載取值如下：自n：鋼：7.9x103 kN/m;：26.5kN/m';二期恒載：鋼箱梁：80 kN/m;砼梁：城市-A級;汽車活載：JTG D60-2015;溫度荷載：體系+25 ℃;拉索±15 ℃;主塔±5℃;制動力：汽車自重的10%;并根據JIG D60-2015橫向折減;支座沉降：主塔墩2cm;輔助墩1cm;過渡墩1cm;風荷載：JIG/T D60-01-2004;人群荷載：CTJ 11-2011

　　a.塔柱承載能力驗算。

　　在進行塔柱承載能力驗算時，采用不利荷載組合，包括：恒載、汽車活載、人群活載、不均勻沉降、溫度荷載以及靜風荷載;計算結果表明，最不利荷載組合下塔柱最大軸力為-263 885 kN，縱橋向最大彎矩-255 204 kN.m，橫橋向最大彎矩216 056 kN.m，經過驗算承載力滿足要求。

　　b.塔柱裂縫驗算。

　　荷載標準組合下塔柱應力分布結果表明上塔柱出現最大拉應力，數值僅為為0.18 MPa，經過驗算索塔裂縫寬度，滿足規范要求。

　　e.塔柱橫梁驗算。

　　荷載標準值組合和最不利短期組合作用下，計算了塔柱橫梁的正截面壓應力，標準值組合的作用下索塔橫梁正截最大壓應力為10.0 MPa，小于規范限值0.5 fa =16.2 MPa;最不利的短期組合作用下，索塔橫梁上、下緣均未出現拉應力，強度滿足規范要求。

　　4索塔自立狀態氣彈模型風洞試驗

　　4.1 試驗概況

　　為了進一步驗證索塔的抗風性能，設計制作了索塔自立狀態氣彈模型并開展了風洞試驗6-3。風洞試驗在中南大學風洞試驗室高速段中進行，在風洞試驗開始之前，首先對同濟大橋主橋的索塔有限元模型進行動力特性分析，獲得索塔自立狀態前十階模態的振型和頻率。其中前三階模態分別為：索塔順橋向一階彎曲振動，頻率為0.457 9 Hz;橫橋向一階彎曲振動，頻率為1.1144 Hz;以及橫橋向二階彎曲振動頻率為1.8160 Hz，見表1。

　　根據中南大學風洞實驗室高速段的尺寸，確定模型的縮尺比為1：100，根據弗洛德數一致性條件，確定風速比為1：10，頻率比為10：1。索塔氣彈模型由矩形脊骨芯梁加氣動外衣構成，選用矩形脊骨芯梁來模擬索塔的剛度，通過尺寸參數的調整可以精確地滿足索塔塔柱順橋向剛度、橫橋向剛度以及扭轉剛度的相似要求，氣動外衣采用3D打印技術精確模擬索塔曲面氣動外形。制作完成的索塔氣彈模型如圖4所示。

　　在索塔安裝完成后，模型實測頻率與理論值誤差最大值為2.19%，模態阻尼比分別為0.71%、0.87%和0.87%，低于公路橋梁抗風設計規范的要求，實驗結果偏于安全，見表2

　　同濟大橋所在地貌為B型地貌，紊流場的風速和親流度均沿高度變化，其測量值與理論值的對比如圖5(b)、(c)所示。橋位處設計基準風速為31.3 m/s，進而計算索塔自立狀態塔頂設計風速為39.4 m/s，馳振檢驗風速約為47.3 m/s。

　　考慮到索塔自立狀態時，來流風的方向不定，在進行風洞試驗時考慮了風偏角β=0°、15、30°、45°、60°、75°和90°等7種情況，試驗工況如表3所示。

　　4.2均勻場鳳洞試驗

　　均勻流場不同風偏角下索塔塔頂位移隨風速的變化曲線如圖6所示。試驗結果表明，索塔順橋向位移、橫橋向位移以及扭轉角度均隨風速的增加而增加，順橋向位移隨風偏角的增大而減小，橫橋向位移隨風偏角的增大而增大，扭轉角隨風偏角的變化不明顯。當風速等于2倍設計風速(78.78 m/s)時，索塔順橋向最大位移均值為164.7 mm，最大均方根值為17.0 mm;橫橋向最大位移為81.9mm，最大均方根值為17.5 mm;扭轉角均值最大值為0.0180，均方根值最大值為0.009。整體趨勢而言，順橋向位移均方根、橫橋向位移均方根以及扭轉角均方根值均隨風速的增加而增加，未出現突然變大的情況，表明測量風速范圍以內索塔未出現明顯的渦激共振現象和馳振現象。

　　4.3紊流場鳳洞試驗

　　親流場不同風偏角下索塔塔頂位移隨風速的變化曲線如圖7所示。親流場中索塔位移和轉角的均值和均方根值隨風偏角和風速的變化趨勢與均勻場十分相似，但是位移和轉角的均值和均方根值均大于均勻場。當風速等于2倍設計風速(78.78 m/s)時，紊流場中索塔順橋向最大位移均值為233.8mm;扭轉角均值最大值為0.0350，均方根最大值為0.0120，由于，順橋向位移均方根、橫橋向位移均方根以及扭轉角均方根值均沒有突然增大，表明紊流場中測量風速范圍以內索塔未出現明顯的渦激共振現象和馳振現象， 而且抖振位移也很小[9 -10]。

　　上述實驗結果表明：自立狀態的同濟大橋變截面曲線索塔在檢驗風速以內不會發生大幅渦激共振和馳振，滿足公路橋梁抗風設計規范的要求，說明本次設計中采用的曲線變截面索塔具有良好的抗風性能。主要原因有如下三點[1-12).

　　a.變截面形式沿橋塔高度逐漸變化降低了風荷載在縱向的相關性，不利于形成同步且頻率一致的渦激荷載，因此不會發生渦激共振現象。

　　b.橋塔截面形式以橢圓形為主，氣動升力不易出現負斜率且氣動升力斜率值較小，因此不易發生馳振。

　　c.倒丫與寶石型相結合的橋塔形式整體性好，側向剛度大，因此靜風穩定性強。

　　5結語

　　廣東佛山同濟大橋主橋為主跨200 m的獨塔雙索面混合梁斜拉橋。考慮到佛山地域文化、旅游產業、景觀等多種因素，索塔整體曲線采用曲率變化大的“佛手”造型，總高度125 m，截面采用雙“橢圓”形截面。該橋塔造型新穎、截面構造及受力復雜，國內鮮有案例。建立有限元模型進行索塔自立和成橋狀態的仿真分析，結果表明索塔的承載能力和抗裂性能均滿足設計要求。進行了索塔自立狀態氣彈模型風洞試驗，綜合均勻場和紊流場風洞試驗結果，發現索塔具有良好的抗風性能，不會發生大幅渦激共振和馳振，抖振幅值也較小，滿足公路橋梁抗風設計規范的相關要求。這說明橢圓形變截面形式沿橋塔高度逐漸變化降低了風荷載在縱向的相關性，不利于形成同步且頻率一致的渦激荷載，氣動升力不易出現負斜率且氣動升力斜率值較小，有利于結構抗風。

　　[參考文獻]

　　[1]易星，祝志文，橋址場地設計風參數的推算和模擬研究[J].公路工程，2019(1)：1-4，50.

　　[2]張巨生，寧伯偉，新建安九鐵路長江大橋主航道橋設計[J].橋梁建設，2018，48(2)：77-82.

　　[3]何奇欽，王碧波，柳州白沙大橋主橋設計[J].橋梁建設，2018，48(4)：96-101.

　　[4]張欣，劉勇，李云華，大跨度自錨式懸索橋鋼-STC組合橋面箱形加勁梁抗風性能試驗研究[J].公路工程，2020(1)：184，189.

　　[5]周志強，基于大跨橋梁鋼主梁抗風性能的高效計算方法[J].湖南交通科技，2015(3)：71-75.

　　[6]吳夢雪，李永樂，周顯，等，懸索橋超高橋塔的剛度和風致響應[J].橋梁建設，2012，42(4)：14-20.

　　[7]李永樂，劉多特，李少波，等，獨柱式變截面傾斜橋塔氣動特性風洞試驗研究[J].實驗流體力學，2013，27(5)：38-43.

　　[8]朱樂東，張宏杰，張海，鋼橋塔渦振氣動控制措施研究[J].振動工程學報，2011，24(6)：585-589.

　　[9]李勝利，張通，陳淮，等，門型橋塔馳振氣動干擾效應數值模[J].中國i科，2012，33(1)：27-34.

　　[10]周奇，朱樂東，郭震山，斜風下典型橋塔抖振性能的比較[J].東南大學學報(自然科學版)，2009，39(S2)：126-132.

　　[11]黃浩，風荷載作用下懸索橋受力分析與靜風穩定性研究[J].公路工程，2019，44(4)：98-102，148.

　　[12]向思宇，胡習兵，抗風纜布置形式對人行懸索橋靜風穩定性影響分析[J].公路工程，2019，44(6)：89-93.

　　[13]張玉平，劉雪松，李傳習，基于MOPSO算法的雙塔斜拉橋合1(2版)，2019，16(2)：22-27，35.