分離式鋼箱梁橋風(fēng)荷載試驗(yàn)研究

分離式鋼箱梁橋風(fēng)荷載試驗(yàn)研究

1分離式礫體箱梁的抗風(fēng)研究隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，交通量逐年增加，橋梁建設(shè)也呈現(xiàn)越來越大、越來越寬的方向。雙幅橋面橋梁在不增加單個(gè)橋面寬度和結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度的前提下,可以增大交通量,并因其良好的行車條件和寬敞的視覺效果逐漸受到人們的青睞,雙幅橋面橋梁的建設(shè)也逐漸增多起來。與此同時(shí),鋼結(jié)構(gòu)的應(yīng)用在國內(nèi)也出現(xiàn)逐漸增大的趨勢(shì),使得主梁的架設(shè)工期大為縮短。然而與混凝土結(jié)構(gòu)相比,鋼結(jié)構(gòu)的運(yùn)用使結(jié)構(gòu)的剛度下降,風(fēng)荷載以及風(fēng)致振動(dòng)對(duì)鋼箱梁而言逐漸成為控制設(shè)計(jì)的主要因素。目前人們對(duì)串列鈍體的繞流及氣動(dòng)干擾效應(yīng)進(jìn)行了大量的試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,其研究結(jié)果均表明在風(fēng)荷載作用下,上下游鈍體之間存在著顯著的相互干擾效應(yīng),對(duì)結(jié)構(gòu)的靜氣動(dòng)力和氣動(dòng)穩(wěn)定性都有明顯影響。但這些都是研究在風(fēng)作用下,串列圓柱體、并列的橋塔、橋墩和雙幅扁平鋼箱上下游結(jié)構(gòu)之間的相互干擾作用,很少有對(duì)分離式截面高寬比較大的鈍體鋼箱梁的抗風(fēng)性能進(jìn)行研究。在分離式鈍體箱梁的抗風(fēng)研究中,橋梁結(jié)構(gòu)的靜力三分力系數(shù)是精確計(jì)算橋梁各構(gòu)件受到風(fēng)荷載的基礎(chǔ),也是分析橋梁在風(fēng)荷載作用下靜力、動(dòng)力響應(yīng)的必備條件,是判斷結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性的前提。為了研究分離式雙主梁、梁高、欄桿和風(fēng)攻角對(duì)主梁的氣動(dòng)力的影響,本文以崇明至啟東過江通道橋崇啟大橋?yàn)檠芯繉?duì)象,進(jìn)行了1/2中跨主梁的節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn),利用試驗(yàn)得到的靜力三分力系數(shù)對(duì)崇啟大橋的氣動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了初步研究。2結(jié)構(gòu)形式及結(jié)構(gòu)崇啟大橋?yàn)槌缑髦羻|過江通道橋,處于長江入?？?位于上海的崇明和江蘇南通啟東之間。主橋?yàn)橐蛔?跨連續(xù)變截面鋼箱梁結(jié)構(gòu),跨徑布置為102m+185m×4+102m,總長為944m,是相互獨(dú)立且彼此臨近的兩座橋梁,兩分離主梁采用鈍體閉口鋼箱梁,尺寸相同,主梁寬均為16m,變截面梁高為3.5～9.0m,兩主梁中心線間距離為17.22m,如圖1所示。3本節(jié)段模型的研究3.1型兩端設(shè)置補(bǔ)償模型節(jié)段模型設(shè)計(jì),選擇崇啟大橋1/2中跨主梁為設(shè)計(jì)依據(jù),靜力三分力試驗(yàn)的模型與實(shí)橋間應(yīng)滿足幾何外形相似,并在模型兩端設(shè)置補(bǔ)償模型?？紤]到崇啟大橋變截面的特點(diǎn),在節(jié)段模型設(shè)計(jì)時(shí),將整個(gè)1/2中跨主梁考慮成五個(gè)節(jié)段,并對(duì)主梁左端和右端設(shè)置了補(bǔ)償段,并考慮風(fēng)洞阻塞率的要求,確定節(jié)段模型幾何縮尺比例為1∶70,模型每段長度均為264.28mm,主梁寬度為230mm,主梁高度為68.57～128.57mm,其斷面和平面如圖2所示。3.2試驗(yàn)結(jié)果及簡(jiǎn)介節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-1風(fēng)洞進(jìn)行,在試驗(yàn)中節(jié)段模型被豎直安裝在風(fēng)洞中的轉(zhuǎn)盤上,由底支座五分量應(yīng)變天平支撐,試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D3所示。試驗(yàn)風(fēng)速為10m/s,試驗(yàn)在均勻流場(chǎng)中進(jìn)行,利用天平獲得了以1°為步長從-10°到+10°風(fēng)攻角范圍內(nèi)分離式雙主梁在成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)的靜力三分力。試驗(yàn)結(jié)果包括施工狀態(tài)和成橋狀態(tài)共計(jì)10段主梁的阻力、升力、升力矩以及阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)。橋梁斷面在體軸坐標(biāo)系下的阻力系數(shù)CD、升力系數(shù)CL、升力矩系數(shù)CM,分別定義為阻力系數(shù)CD=FDqWBL(1)CD=FDqWBL(1)升力系數(shù)CL=FLqWBL(2)CL=FLqWBL(2)升力矩系數(shù)CM=FMqWB2L(3)CΜ=FΜqWB2L(3)式中,FD,FL,FM分別為梁段的阻力、升力和升力矩;B為梁段寬度;L為梁段長度;qW=(1/2)ρV2WW2為來流動(dòng)壓,ρ為空氣密度,VW為來流速度;體軸坐標(biāo)系下氣動(dòng)力方向示意圖如圖4所示。4氣動(dòng)擾動(dòng)和氣動(dòng)穩(wěn)定性利用試驗(yàn)得到的三分力系數(shù),對(duì)分離式雙主梁的氣動(dòng)干擾效應(yīng)和氣動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行了分析,討論了截面高度、欄桿和風(fēng)攻角變化對(duì)主梁三分力系數(shù)的影響。4.1同位置主梁的阻力系數(shù)阻力系數(shù)一般按梁高定義,本文按照梁寬定義,現(xiàn)將按梁寬定義的阻力系數(shù)乘以B/H,其中,B為主梁寬度,H為主梁高度,用按梁高定義的阻力系數(shù)比較分析阻力系數(shù)隨梁高和風(fēng)攻角變化的關(guān)系。圖5給出了阻力系數(shù)隨分段梁高變化的關(guān)系,很明顯地看出分離式雙主梁的阻力系數(shù)存在很強(qiáng)的相互干擾效應(yīng),在0°風(fēng)攻角下對(duì)于同位置的主梁迎風(fēng)側(cè)的阻力系數(shù)明顯高于背風(fēng)側(cè)主梁,在成橋狀態(tài)下阻力系數(shù)相差在85%以上,呈現(xiàn)出一種顯著的“遮擋”效應(yīng)。隨著梁段的增高,上下游橋面的阻力系數(shù)均增大,這是因?yàn)闃蛄旱臍鈩?dòng)性能對(duì)截面形狀非常敏感,成橋狀態(tài)下迎風(fēng)側(cè)主梁最高和最低梁段的阻力系數(shù)相差為22%。對(duì)于同側(cè)主梁而言,成橋狀態(tài)下主梁的阻力系數(shù)也比施工狀態(tài)主梁的阻力系數(shù)要大,阻力系數(shù)相差在8%以上,這是因?yàn)樵诔蓸驙顟B(tài)時(shí)橋面上安裝了欄桿,欄桿不但增大了主梁截面的高度,還引起了更大的阻力。圖6給出了不同分段阻力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化關(guān)系,上游橋面的阻力系數(shù)受風(fēng)攻角影響比下游橋面明顯,這是由于上游橋面對(duì)來流存在阻擋作用,使得下游橋面的阻力系數(shù)對(duì)風(fēng)攻角變化不敏感,在-10°～0°風(fēng)攻角范圍內(nèi),背風(fēng)側(cè)不同梁高的阻力系數(shù)相差僅為48%左右,比迎風(fēng)側(cè)小得多。背風(fēng)側(cè)較高梁段在成橋狀態(tài)和施工狀態(tài)阻力系數(shù)相差僅為50%左右;在0°～10°風(fēng)攻角范圍內(nèi),背風(fēng)側(cè)主梁阻力系數(shù)隨著梁高和風(fēng)攻角的增大而減小。4.2主梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化關(guān)系圖7給出了升力系數(shù)隨分段梁高變化的關(guān)系,在0°風(fēng)攻角下,迎風(fēng)側(cè)橋面的升力系數(shù)比背風(fēng)側(cè)橋面要大得多,可見分離式主梁的相互干擾效應(yīng)對(duì)升力系數(shù)也有影響。無論是成橋狀態(tài)還是施工狀態(tài),迎風(fēng)側(cè)主梁升力系數(shù)受梁高變化影響均比背風(fēng)側(cè)顯著,迎風(fēng)側(cè)主梁升力系數(shù)對(duì)梁高變化不敏感。圖8給出了不同分段升力系數(shù)隨風(fēng)攻角的變化關(guān)系,在-10°～0°風(fēng)攻角范圍內(nèi),迎風(fēng)側(cè)主梁升力系數(shù),無論在成橋狀態(tài)還是在施工狀態(tài),均隨著風(fēng)攻角的增大而增大;在0°～10°風(fēng)攻角范圍內(nèi),迎風(fēng)側(cè)主梁升力系數(shù)隨風(fēng)攻角變化趨于平穩(wěn)。個(gè)別梁段出現(xiàn)負(fù)斜率現(xiàn)象。值得一提的是出現(xiàn)負(fù)斜率的風(fēng)攻角范圍在3°以上,并且不足以構(gòu)成發(fā)生馳振的必要條件,因此從馳振的角度考慮,該橋主梁斷面具有較好的氣動(dòng)基礎(chǔ)。4.3梁高、梁升力分析圖9給出了升力矩系數(shù)隨分段梁高變化關(guān)系,在0°風(fēng)攻角下,迎風(fēng)側(cè)主梁的升力矩系數(shù)也比背風(fēng)側(cè)的升力矩系數(shù)大得多,雙主梁的遮擋作用在升力矩系數(shù)上也有體現(xiàn),并且迎風(fēng)側(cè)主梁升力矩系數(shù)隨著梁高的增大而顯著減小,而背風(fēng)側(cè)主梁升力矩系數(shù)受梁高影響變化微弱。圖10給出了不同分段升力矩系數(shù)隨風(fēng)攻角變化關(guān)系,在-10°～-5°風(fēng)攻角范圍內(nèi),迎風(fēng)側(cè)主梁的升力矩系數(shù)隨著風(fēng)攻角增大而減小,-5°～10°風(fēng)攻角范圍內(nèi),迎風(fēng)側(cè)較高梁段升力矩系數(shù)隨著風(fēng)攻角增大而減小,迎風(fēng)側(cè)較低梁段升力矩系數(shù),在-5°～0°風(fēng)攻角范圍內(nèi),隨著風(fēng)攻角增大而減小。4.4遮擋性利用試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)靜力三分力系數(shù)變化規(guī)律進(jìn)行分析,可以看出分離式雙主梁之間存在明顯干擾效應(yīng),這種干擾效應(yīng)在靜氣動(dòng)力方面,主要表現(xiàn)為兩相互臨近的主梁之間的遮擋效應(yīng),即在風(fēng)荷載作用下,迎風(fēng)側(cè)主梁對(duì)背風(fēng)側(cè)主梁的遮擋作用,使得背風(fēng)側(cè)主梁靜氣動(dòng)力系數(shù)均顯著小于迎風(fēng)側(cè)主梁。為了進(jìn)一步研究梁段高度和風(fēng)攻角對(duì)遮擋效應(yīng)影響,通過定義遮擋系數(shù)來反映遮擋效應(yīng),以便于作進(jìn)一步研究和分析。遮擋系數(shù)定義為η=CDfCDb(4)η=CDfCDb(4)式中,η為遮擋系數(shù);CDf為有遮擋主梁阻力系數(shù);CDb為無遮擋主梁阻力系數(shù)。圖11給出了遮擋系數(shù)隨分段梁高和風(fēng)攻角的變化關(guān)系,無論是成橋狀態(tài)還是施工狀態(tài)在相同風(fēng)攻角下,遮擋系數(shù)一般與B/H成反比,即在主梁寬度相同的情況下,遮擋系數(shù)隨著梁段高度增加而增大,顯現(xiàn)出的遮擋效應(yīng)也越顯著;從圖11(a)中還可以看出,在成橋狀態(tài)下對(duì)于B/D>2.31的梁段,從某一風(fēng)攻角開始,遮擋系數(shù)進(jìn)入負(fù)值區(qū)間,這說明迎風(fēng)主梁與背風(fēng)側(cè)主梁的阻力系數(shù)有變號(hào)現(xiàn)象,隨著梁段高度增加,遮擋系數(shù)負(fù)值區(qū)間逐漸減小,B/D<2.31的梁段,遮擋系數(shù)不存在負(fù)值區(qū)間。這說明隨著梁段高度增加,迎風(fēng)側(cè)主梁斷面的擋風(fēng)面積也增加,背風(fēng)側(cè)主梁受到的風(fēng)荷載逐漸由阻力轉(zhuǎn)變成吸力,受到風(fēng)荷載的方向發(fā)生了本質(zhì)改變。從圖11(b)中可以看出,在施工狀態(tài)下,對(duì)于所有的梁段,從某一風(fēng)攻角開始,遮擋系數(shù)均進(jìn)入負(fù)值區(qū)間,這是因?yàn)槭┕顟B(tài)的主梁沒有考慮欄桿高度的影響,參與阻擋的梁高沒有成橋狀態(tài)時(shí)的梁高。從圖11(a)和11(b)中均可以看出,對(duì)于B/H<2.31的梁段,其遮擋系數(shù)受風(fēng)攻角變化影響不如B/H>2.31的梁段顯著。這是因?yàn)榱焊咻^小梁段的有效擋風(fēng)面積變化率受風(fēng)攻角影響要比梁高較大梁段劇烈,因此梁高較小梁段的遮擋效應(yīng)對(duì)風(fēng)攻角也更敏感。4.5風(fēng)荷載與分段所處位置的關(guān)系JTGD60-01—2004《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》中,對(duì)雙幅橋面梁橋由于上游主梁的遮擋作用造成下游主梁風(fēng)荷載降低的情況,并未明確規(guī)定,工程師們?cè)跇蛄涸O(shè)計(jì)時(shí)都是偏安全的,忽略上游主梁遮擋作用,將上下游主梁風(fēng)荷載取相同數(shù)值進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。表1給出了風(fēng)荷載與分段所處位置和分段梁高的關(guān)系,可以看出對(duì)于相同梁高的梁段,迎風(fēng)側(cè)梁段阻力、升力和升力矩均比背風(fēng)側(cè)梁段大很多,其中阻力系數(shù)高出6倍以上,升力系數(shù)高出3倍以上,升力矩高出13倍以上?？梢?由于迎風(fēng)側(cè)主梁對(duì)來流風(fēng)的阻擋作用,使背風(fēng)側(cè)主梁受到的風(fēng)荷載顯著降低,上下游主梁受到的風(fēng)荷載相差很大。從表1中還可以看出,對(duì)于同側(cè)不同梁段的阻力、升力和升力矩變化范圍也很大,阻力、升力、升力矩相差均達(dá)到1.5倍以上?？梢婏L(fēng)荷載受梁段高度影響也很顯著。5梁段高度對(duì)雙主梁遮風(fēng)本文以崇啟大橋主梁氣動(dòng)力為研究對(duì)象,通過節(jié)段模型測(cè)力試驗(yàn)研究分離式雙主梁的氣動(dòng)力特點(diǎn)及其遮擋效應(yīng),通過比較可以得到以下結(jié)論:(1)分離式雙主梁之間存在著顯著的相互干擾效應(yīng),在橫橋向風(fēng)作用下,由于上游主梁對(duì)下游主梁存在“遮擋”作用,使得迎風(fēng)側(cè)主梁的阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升力矩系數(shù)均比背風(fēng)側(cè)主梁明顯增大。(2)迎風(fēng)側(cè)與背風(fēng)側(cè)主梁的靜力三分力系數(shù)對(duì)梁段高度變化的敏感程度大不相同,迎風(fēng)側(cè)主梁三分力系數(shù)隨著梁段高度變化顯著;而背風(fēng)側(cè)主梁的三分力系數(shù)隨梁段高度變化不明顯。兩側(cè)主梁的阻力系數(shù)和升力系數(shù)都隨著梁段高度增大而增大,升力矩系數(shù)都隨著梁段高度增大呈降低趨勢(shì)。(3)兩分離式主梁靜力三分力系數(shù)對(duì)風(fēng)攻角變化的敏感程度也不相同,迎風(fēng)側(cè)主梁阻力系數(shù)、升力系數(shù)和升