考慮塔吊共同作用的橋塔風(fēng)洞試驗研究

考慮塔吊共同作用的橋塔風(fēng)洞試驗研究

0幅振問題不可忽視隨著現(xiàn)代斜壩橋的延伸，橋塔的高度也越來越高。在橋塔的薄高硬結(jié)構(gòu)中，風(fēng)是其主要支撐。橋塔在施工階段由于沒有斜拉索支承,其對風(fēng)的作用更為敏感。橋梁抖振是一種限幅振動,一般不會引起像顫振那樣的災(zāi)難性破壞。但是過大的抖振響應(yīng)在施工期間可能危及施工人員和機(jī)械的安全,因此,對高聳橋塔在施工階段可能發(fā)生的抖振問題不能忽視。以往橋塔風(fēng)洞試驗僅考慮裸塔模型,當(dāng)考慮塔吊等施工設(shè)備共同作用時,橋塔的動力特性將復(fù)雜化。本文通過鄂東長江公路大橋橋塔(包括塔吊)氣彈模型風(fēng)洞試驗對斜風(fēng)作用下該橋塔3個主要施工狀態(tài)的風(fēng)致振動性能進(jìn)行研究,著重討論不同風(fēng)偏角下抖振響應(yīng)隨風(fēng)速的變化規(guī)律及風(fēng)偏角對大跨度斜拉橋橋塔抖振響應(yīng)的影響,并與抖振時域分析的結(jié)果進(jìn)行對比,以研究橋塔施工過程中考慮塔吊共同作用的抖振性能。1北橋塔鳳推動鄂東長江公路大橋位于湖北省東部黃石長江水道上游,是滬蓉、阿深兩條高速公路跨越長江的特大型公路橋,主橋為主跨926.00m的雙塔雙索面鋼-混凝土結(jié)合梁斜拉橋。北橋塔采用“鳳翎”式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),總高度為242.50m,結(jié)構(gòu)包括上塔柱、中塔柱、下塔柱元寶段和下塔柱橫梁。橋位處主導(dǎo)風(fēng)向為東風(fēng)和偏東風(fēng),年平均風(fēng)速為2.10m·s-1,經(jīng)比較分析確定該橋橋位處基本風(fēng)速為30.10m·s-1。由于未對橋址處進(jìn)行實地風(fēng)觀測,橋塔基準(zhǔn)高度處的設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速可由基本風(fēng)速推算得出,結(jié)果為46.81m·s-1。2橋塔塔吊和模板施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)動力特性分析采用ANSYS有限元程序。根據(jù)橋塔施工階段的不同動力特性確定以下3種主要施工狀態(tài):橋塔施工剛剛完成狀態(tài),結(jié)構(gòu)包括全部橋塔、塔吊和塔頂模板;橋塔施工狀態(tài),結(jié)構(gòu)包括上、中塔柱連接段混凝土澆注完成的橋塔(連接段混凝土未提供強(qiáng)度與剛度)、中塔柱橫向臨時支撐、塔吊和模板,澆筑高度為162.00m;橋塔施工狀態(tài),結(jié)構(gòu)包括中塔柱獨立段施工完成的橋塔(兩中塔柱還未交會)、中塔柱橫向臨時支撐、塔吊和模板,澆筑高度為150.00m。橋塔3種施工狀態(tài)結(jié)構(gòu)固有動力特性見表1。3風(fēng)洞測試總結(jié)3.1附加質(zhì)量阻尼模型的幾何縮尺比為1∶153,風(fēng)速比為1∶6。橋塔模型由模擬結(jié)構(gòu)剛度的鋼芯框架、模擬外形的泡沫塑料外衣及調(diào)整質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩分配的配重構(gòu)成。由于用鋼芯棒模擬的模型阻尼比明顯小于混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比(1.00%~2.00%)的要求值,因此,在模型頂部安裝了一簡易的附加質(zhì)量阻尼裝置。由表1可知,增加阻尼裝置后的一階順橋向彎曲模態(tài)的阻尼比約為1.94%,與混凝土結(jié)構(gòu)的阻尼比較為接近,能較好地反映實際結(jié)構(gòu)的響應(yīng)。3.2b類地貌氣動彈性模型本文試驗在長安大學(xué)風(fēng)洞實驗室CA-1大氣邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行。根據(jù)對橋址處的風(fēng)環(huán)境分析,用尖塔和粗糙元在風(fēng)洞中模擬了縮尺比為1∶153,風(fēng)速剖面指數(shù)為0.16的B類地貌紊流風(fēng)場。紊流場中的橋塔氣動彈性模型見圖1。為考慮不利風(fēng)向的影響,把風(fēng)偏角β定義為來流風(fēng)向和橋塔平面間的夾角,在紊流場試驗中模擬了β為0°、10°、15°、30°、90°五種工況(圖1)。試驗風(fēng)速范圍為0~12.50m·s-1,對應(yīng)于橋址處65%橋塔高度處的風(fēng)速為0~57.80m·s-1。4振動響應(yīng)橋塔4.1順橋向、橫橋向位移響應(yīng)本文試驗結(jié)果表明:在不同風(fēng)偏角下,隨著風(fēng)速的增加,橋塔塔頂?shù)捻槝蛳颉M橋向位移響應(yīng)均值均近似地按風(fēng)速線性增加,見圖2(只給出順橋向變化)。隨風(fēng)偏角的增加,橋塔順橋向偏離值增加越顯著,偏離值也越大,90°風(fēng)偏角時達(dá)到最大值0.308m。4.2風(fēng)速響應(yīng)曲線本文試驗結(jié)果表明:在不同風(fēng)偏角下,隨著風(fēng)速的增加,橋塔塔頂?shù)捻槝蛳?、橫橋向位移響應(yīng)根方差均近似地按風(fēng)速的二次曲線增加,見圖3(只給出順橋向變化)。對于低風(fēng)速區(qū),由于抖振響應(yīng)較小,受渦激振動的影響,響應(yīng)曲線稍有偏離二次曲線,更接近于線性函數(shù)。由于橋塔自身在平面內(nèi)為框架結(jié)構(gòu),橫橋向剛度明顯大于順橋向剛度,當(dāng)橋塔與塔吊組合后,其剛度變化不大,故橋塔的順橋向響應(yīng)顯著大于橫橋向響應(yīng),位移均值相差約9倍。4.3橋塔橫橋向響應(yīng)本文試驗結(jié)果表明:在不同風(fēng)偏角下,隨著風(fēng)速的增加,橋塔中塔柱交會處的順橋向、橫橋向位移響應(yīng)根方差均近似地按風(fēng)速的二次曲線增加,見圖4、5(只給出橫橋向變化),與狀態(tài)1時具有相同的規(guī)律。由于狀態(tài)2、3時橋塔施工的高度、橋塔與施工設(shè)備的連接狀態(tài)與架設(shè)完成時完全不同,此時橋塔橫橋向剛度略小于順橋向剛度,故橋塔的橫橋向響應(yīng)略大于順橋向響應(yīng)。狀態(tài)2、3時橋塔各方向響應(yīng)也均小于狀態(tài)1時響應(yīng)值。5試驗和計算的比較5.1結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析橋塔抖振時域分析一般需要先計算橋塔結(jié)構(gòu)在靜風(fēng)荷載作用下的變形和內(nèi)力,然后應(yīng)用風(fēng)場模擬技術(shù)生成橋塔各空間節(jié)點處的順橋向和橫橋向脈動風(fēng)速樣本,再計算結(jié)構(gòu)在該風(fēng)荷載作用下的非線性響應(yīng)時程,從而通過均值、根方差和功率譜等統(tǒng)計指標(biāo)來評價結(jié)構(gòu)的抖振響應(yīng)特性。引起橋塔風(fēng)振的荷載可以分為靜力風(fēng)荷載、抖振力和自激力。由于混凝土橋塔剛度較大,在施工階段的抖振時域分析中可不考慮自激力的作用,而對于橋塔,抖振力通常只考慮抖振阻力,則在單位長度的橋塔塔柱上受到的風(fēng)力F為F=Fst+Fb=12ρ(U+u)2C(α)DF=Fst+Fb=12ρ(U+u)2C(α)D式中:Fst、Fb分別為結(jié)構(gòu)的靜風(fēng)力和抖振力;ρ為空氣密度;U為來流平均風(fēng)速;u為脈動風(fēng)速;C(α)為橋塔截面在攻角為α?xí)r的阻力系數(shù);D為塔柱在迎風(fēng)面上的投影寬度。5.2工程特性分析針對橋塔架設(shè)完成狀態(tài),本文采用大跨度斜拉橋抖振時域分析方法對裸塔有限元模型進(jìn)行抖振分析,并將抖振位移響應(yīng)RMS計算值與試驗值進(jìn)行對比。從圖6~9可以看出,試驗結(jié)果整體上大于時域分析計算結(jié)果;相對于塔頂順橋向抖振位移響應(yīng),塔頂橫橋向抖振位移響應(yīng)試驗值與計算值較為吻合;試驗值與計算值在低風(fēng)速下吻合較好,但隨著風(fēng)速的增加,兩者間的差別逐步增大。由表2可以看出,在橋塔設(shè)計基準(zhǔn)風(fēng)速為46.81m·s-1,90°風(fēng)偏角下,塔頂順橋向抖振位移響應(yīng)RMS試驗值為計算值的1.02倍。但對于0°、15°、30°風(fēng)偏角下,試驗值明顯大于計算值,在15°風(fēng)偏角時,相差達(dá)到9倍。本文認(rèn)為,由于鋼塔吊相對于混凝土橋塔更為柔細(xì),其剛度對結(jié)構(gòu)體系剛度貢獻(xiàn)不大,而在斜風(fēng)方向,塔吊是以附加質(zhì)量依附在橋塔上,降低了結(jié)構(gòu)體系基頻,使其更易起振。可以得出,在斜風(fēng)作用下,高風(fēng)速時,考慮塔吊作用進(jìn)行風(fēng)洞試驗的結(jié)果較僅考慮裸塔模型試驗結(jié)果應(yīng)該更偏于安全。6橋塔關(guān)注內(nèi)部3個月內(nèi)的符合荷載分析的指標(biāo),主要表現(xiàn)為(1)本文通過鄂東長江公路大橋橋塔(包括塔吊)氣彈模型風(fēng)洞試驗,研究了3個主要施工狀態(tài)時不同風(fēng)偏角下橋塔抖振響應(yīng)與風(fēng)速之間關(guān)系。(2)對于施工階段設(shè)計風(fēng)速為39.32m·s-1下,狀態(tài)1時橋塔順橋向抖振位移響應(yīng)最大值為0.2746m(90°風(fēng)偏角),橫橋向最大值為0.0932m(10°風(fēng)偏角);狀態(tài)2時橋塔順橋向抖振位移響應(yīng)最大值為0.1109m(90°風(fēng)偏角),橫橋向最大值為0.2457m(0°風(fēng)偏角);狀態(tài)3時橋塔順橋向抖振位移響應(yīng)最大值為0.1044m(15°風(fēng)偏角),橫橋向最大值為0.2237m(15°風(fēng)偏角)。可以看出,在施工階段設(shè)計風(fēng)速下