懸挑人行道對某PK 梁斜拉橋抗風性能的影響試驗研究

禹爭華

（廣西中交一公局平容高速公路有限公司，廣西貴港 537110）

0 引言

半開口分離雙邊箱斷面主梁首次用于美國的Pasco-Kennewick橋［1］，因此，此種類型的主梁被工程界簡稱為PK 梁。PK 梁取消了底板，節約了材料用量，且橫向剛度好，在寬主梁雙索面斜拉橋中廣泛應用。大跨度鋼橋具有頻率低、阻尼小、質量相對較輕的特點，其抗風穩定性是橋梁建設必須解決的關鍵問題［2-5］。針對半開口分離雙邊箱主梁的渦振性能和顫振性能，國內外學者開展了一些研究。孟曉亮等［6］研究了風嘴角度對封閉和半封閉箱梁渦振及顫振性能的影響；朱樂東等［7］研究了多孔擾流板對半封閉窄箱梁渦振的減振效果；方根深等［8］研究了大跨度橋梁PK 箱梁斷面顫振性能；張天翼等［9］針對寬幅雙箱疊合梁渦振性能，開展了風嘴、中央穩定板、封閉欄桿、裙板、內側隔流板、箱梁下導流板等常見措施的抑振效果試驗研究；李春光等［10］研究了雙邊主梁上雙向帶式輸送機對橋梁渦振性能及抑振措施；白樺等［11］采用了數值模擬方法分析了流線形雙邊主梁斷面橋梁顫振穩定性能；段青松［12］針對寬高比達13.57 的寬幅半封閉箱梁的渦激振動特性，開展了風洞試驗和CFD（計算流體動力學）研究。以上研究結果表明：半開口分離雙邊箱梁的渦振顫振特征十分復雜，通過氣動措施，可以有效降低渦振振幅、提高顫振臨界風速。

分流板是一種可以改善主梁渦振和顫振性能的氣動措施。主梁兩側設計的挑臂或懸挑人行道板具有與分流板相同的氣動功能。李春光等［13-14］通過風洞試驗研究了帶懸挑人行道板流線形箱梁的渦振性能及氣動措施；Fang 等［15］研究了PK 截面梁顫振導數及其在概率顫振分析中的應用；熊龍等［16］研究了挑臂對箱梁豎向渦激振動的影響；董國朝等［17］通過風洞試驗和CFD 研究挑臂長度對鋼桁梁顫振性能的影響，結果表明：懸挑板對主梁的渦振性能和顫振性能影響明顯，合理的懸挑板寬度和布置位置能顯著降低主梁的渦振振幅，提高主梁的顫振臨界風速。具有人行交通功能的大跨橋梁，主梁外側人行道懸挑與分流板類似，利用人行道懸挑提高橋梁抗風性能是一種非常經濟的氣動措施，開展懸挑人行道對雙邊箱主梁抗風性能影響的研究具有重要意義。

鑒于此，本文以在建的平容高速公路上主跨636 m 平南特大斜拉橋為工程背景，建立橋梁有限元空間模型并分析結構模態特征，開展主梁節段模型彈性懸掛渦振和顫振風洞試驗，通過對比無懸挑人行道主梁和有不同寬度懸挑人行道主梁的抗風性能，研究懸挑人行道對雙邊箱主梁抗風性能的影響。研究成果將為類似橋梁的抗風穩定性設計提供參考。

1 研究背景

為了跨越潯江，在建的平容高速公路平南特大橋采用跨徑布置為（54+56+80+636+80+56+54）m 的鋼箱混合梁斜拉橋，邊跨混凝土主梁和中跨鋼箱梁均采用分離式雙邊箱的PK 箱梁斷面，立面圖如圖1 所示。中跨鋼箱梁全寬為30.0 m（不含兩側人非車道），鋼箱梁頂板外表面至底板內表面的高度為3.2 m，鋼混結合段外輪廓高度為3.2 m。邊跨混凝土箱梁標準梁段橋梁中心線梁高3.2 m，采用縱向預應力布置，橫梁配置橫向預應力，其中縱向鋼束由頂板鋼束、腹板、底板鋼束組成。

索塔采用H 形混凝土橋塔，塔高180 m，包括上塔柱（含塔冠）、上橫梁、中塔柱（包含上、中塔柱連接段及中、下塔柱連接段）、下塔柱和下橫梁，均采用C50 混凝土。斜拉索采用1 860 MPa 平行鋼絲索，雙索面布置，共152 根斜拉索。為了減少拉索振動，每根拉索安裝了外置式阻尼器。橋塔和輔助墩處各設置2 個雙向活動球形鋼支座，過渡墩處設置1 個單向活動支座和1 個雙向活動支座。每個塔梁連接處順橋向在中跨安裝2 套縱向黏滯阻尼器。

為了滿足人行通道功能和提高顫振臨界風速，在分離式雙邊箱外側增設了懸挑人行道，增設懸挑人行道后的主梁全寬為35.5 m，高3.2 m。主梁橋面對稱布置，單側布置包括2.75 m 的人非混行道、0.5 m的風嘴、1.5 m 的拉索區錨固區、0.5 m 的防撞護欄、3.0 m 的緊急停車帶、7.5 m 的行車道、0.75 m 的路緣帶和1.25 m 的中央分隔帶。增設懸挑人行道后的分離式雙邊箱鋼主梁橫斷面圖如圖2 所示?；炷林髁喝鐖D3 所示。

圖2 分離式雙邊箱鋼主梁橫斷面布置圖（單位：cm）

圖3 分離式雙邊箱混凝土主梁橫斷面布置圖（單位：cm）

平容高速公路平南特大橋跨徑大，采用分離式雙邊箱鋼主梁，使橋梁的頻率低、質量輕、阻尼小，分離式雙邊箱鋼主梁是典型的鈍體模型，抗風穩定性是本項目重點關注的問題。

2 節段模型風洞試驗

2.1 橋梁動力特性

為了得到橋梁豎彎和扭轉模態的固有頻率，建立了空間有限元模型。主跨分離式雙邊箱鋼主梁和邊跨分離式雙箱混凝土箱梁均采用空間梁單元模擬，橋塔也采用梁單元模擬，拉索采用桁架單元模擬，橋面鋪裝、欄桿等不考慮其剛度，僅模擬其質量，全橋共3 190 個節點，3 353 個單元。

通過模態分析得到橋梁的固有頻率和模態振型，根據式（1）計算等效質量。平南特大橋前10 階模態的頻率、等效質量和模態振型如表1 所示。該橋1階模態為主梁縱漂，頻率為0.107 Hz。主梁1 階豎彎模態為對稱豎彎振型，固有頻率為0.270 Hz，等效質量為28 866 kg/m，模態振型如圖4 所示。主梁1 階扭轉模態為對稱扭轉振型，固有頻率為0.541 Hz，等效質量矩為2 912 476 kg ?m2/m，模態振型如圖5 所示。

圖4 1 階豎彎模態振型（0.270 Hz）

圖5 1 階扭轉模態振型（0.541 Hz）

式中：mEr為第r階模態單位長度等效質量；mr為第r階模態的模態質量；L為主梁的長度；φr為第r階模態的主梁的振型函數。

2.2 節段模型風洞試驗設計

根據風洞試驗室條件和《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）［18］相關規定，主梁節段模型縮尺比取1/60，得到節段模型長184 cm，寬59.2 cm，高5.3 cm（不含欄桿）。模型寬度/有效試驗區高度為59.2/200=0.24，模型長度/模型寬度為184/59.2=3.1，風洞阻塞率為5.3/200=2.7%。風洞試驗室為閉口式風洞，設計的節段模型滿足抗風規范風洞試驗要求。風洞中節段模型彈性懸掛系統如圖6所示。

圖6 節段模型彈性懸掛系統

無懸挑人行道主梁節段模型彈性懸掛系統的動力特征如表2 所示，實測彈性懸掛系統豎向和扭轉自由振動位移時程及其功率譜如圖7、8 所示。在帶懸挑人行道主梁節段模型顫振穩定性檢驗試驗中，彈性懸掛系統豎向和扭轉頻率分別降低為2.540 Hz 和5.067 Hz，風速比為6.37，以便實現檢驗更高的實橋風速。

表2 主梁節段模型風洞試驗動力參數

圖7 彈性懸掛系統豎向自由振動時程及其功率譜

圖10 扭轉位移均方根隨風速的變化

根據《公路橋梁抗風設計規范》（JTG/T 3360-01—2018）的第8.5.1 條：在W1 風作用水平及以下風速范圍內，有行人通行功能的橋梁抖振和渦激共振引起的豎向加速度峰值不宜超過1.1 m/s2，橫向加速度峰值不宜超過0.5 m/s2。推導出主梁豎彎渦振及扭轉渦振允許振幅峰值分別為：

容許豎向位移峰值：

容許扭轉角峰值：

式中：fh為豎彎模態頻率；ft為扭轉模態頻率；B為橋寬。

根據式（2）、（3）以及結構動力特性，1 階豎彎模態的渦振振幅限值為0.383 m，1 階扭轉模態的渦振振幅限值為0.325°，顫振檢驗風速為50.5 m/s。

3 懸挑人行道對抗風性能的影響

3.1 無懸挑人行道主梁抗風性能

在均勻流場中進行了無懸挑人行道主梁節段模型渦激振動和顫振風洞試驗，試驗工況包括-3°、0°和+3°共3 種來流風攻角。實測主梁豎向和扭轉響應均方根隨風速的變化分別如圖9、10 所示。風洞試驗結果表明：①-3°、0°和+3°共3 種來流風攻角工況均未觀測到渦激振動現象，表明無懸挑人行道主梁具有良好的渦振性能；②-3°和0°風攻角條件下，顫振臨界風速大于顫振檢驗風速，而+3°風攻角下，橋梁發生了明顯的“硬”顫振現象，臨界風速僅為44.5 m/s，小于顫振檢驗風速，因此，橋梁的顫振穩定性不滿足抗風規范要求。顫振涉及橋梁的安全性，橋梁設計和建設必須解決該問題。

3.2 懸挑人行道對抗風性能的影響

導流板是提高主梁顫振穩定性的有效氣動措施之一，系列研究結果表明：在主梁兩側增加導流板可以改善橋梁的顫振穩定性。鑒于該橋梁具有人行通道功能的需求，提出了在主梁兩側風嘴上增加懸挑人行道的氣動措施方案，實現人行通道和顫振臨界風速提升雙重功能。

設計了3 種寬度的懸挑人行道工況，人行道寬度分別為1.60 m、2.10 m 和2.75 m。各工況在人行道外側增加相同的護欄。3 種工況的懸挑人行道設計如圖11 所示，護欄設計如圖12 所示。針對這3 種試驗工況，在均勻流場中開展了-3°、0°和+3°共3 種風攻角的主梁節段模型風致振動試驗，風洞試驗結果如表3 所示。+3°風攻角條件下3 種工況的扭轉位移與風速的關系曲線如圖13 所示。風洞試驗結果表明：①-3°、0°來流風攻角條件下，在實橋風速120 m/s范圍內，均未觀測到渦激振動和顫振現象；②+3°風攻角時，顫振臨界風速隨著懸挑人行道寬度的增加而提高，1.60 m 的懸挑人行道就能將顫振臨界風速提高到82.0 m/s。

表3 不同工況主梁風致振動性能

圖11 懸挑人行道設計圖（單位：cm）

圖12 人行道欄桿設計圖（單位：cm）

圖13 扭轉位移均方根隨風速的變化（+3°風攻角）

懸挑人行道在抗風穩定性方面其作用與導流板類似，增設懸挑人行道后橋梁顫振臨界風速顯著提高，且隨著懸挑人行道寬度的增加，顫振臨界風速更高。

4 結論

以平南特大橋為工程背景，通過節段模型彈性懸掛風洞試驗，研究了懸挑人行道對雙邊箱主梁抗風性能的影響。得到如下結論：

（1）在-3°、0°和+3°共3 種來流風攻角下，無懸挑人行道雙邊箱主梁和3 種工況的帶懸挑人行道雙邊箱主梁均未測試到渦激振動現象，具有良好的渦振性能。

（2）無懸挑人行道雙邊箱主梁在+3°風攻角下的顫振臨界風速較低，在風嘴外側增加人行懸挑可以有效提高主梁的顫振臨界風速，隨著懸挑人行道寬度的增加，顫振臨界風速增大。在雙邊箱主梁外側增加懸挑人行道是一種有效的提高顫振性能的氣動措施。