T型剛構(gòu)轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)風(fēng)致響應(yīng)的風(fēng)洞試驗(yàn)研究

孔令總 王澤文 何向東

針對(duì)轉(zhuǎn)體施工的某T型剛構(gòu)橋梁，文章介紹通過大比例尺氣彈模型風(fēng)洞試驗(yàn)，測(cè)試了其最大雙懸臂狀態(tài)下最大位移和球鉸截面處的風(fēng)致內(nèi)力。研究結(jié)果可為施工期抗風(fēng)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)支撐。

T型剛構(gòu); 轉(zhuǎn)體施工; 氣彈模型; 風(fēng)載內(nèi)力; 風(fēng)洞試驗(yàn)

U448.23+1?? A

[定稿日期]2020-12-24

[作者簡(jiǎn)介]孔令總（1988～），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)榈缆放c鐵道工程。

隨著城際公、鐵交通路網(wǎng)的大力建設(shè)與發(fā)展，越來越多的城際公路橋的設(shè)計(jì)與建造，面臨著多車道、需跨越既有公、鐵線路且不能影響其正常運(yùn)營(yíng)的挑戰(zhàn)，肇始于20世紀(jì)40年代的橋梁轉(zhuǎn)體施工工藝，由此在連續(xù)梁及T型剛構(gòu)得到大力推廣與應(yīng)用。目前國(guó)內(nèi)采用轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)，最大重量已近5×104 t。盡管轉(zhuǎn)體施工的時(shí)長(zhǎng)大約僅在1 h左右，但隨著轉(zhuǎn)體施工T型剛構(gòu)主墩與主梁的高度、及主梁寬度等的增大以及薄壁鋼箱梁的相對(duì)質(zhì)量與阻尼的減小，使得在風(fēng)環(huán)境較為嚴(yán)峻地區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)，必須對(duì)其風(fēng)致響應(yīng)詳加考察，以確保轉(zhuǎn)體施工的安全。

球鉸是傳遞結(jié)構(gòu)上、下部荷載的關(guān)鍵部位，在風(fēng)敏感區(qū)，轉(zhuǎn)體施工時(shí)必需明確記及風(fēng)荷載的、球鉸處截面的內(nèi)力變化。見諸報(bào)道的對(duì)于轉(zhuǎn)體施工的T型剛構(gòu)等的風(fēng)致響應(yīng)研究方法，主要依賴于人工模擬的脈動(dòng)風(fēng)場(chǎng)，以及由Fluent數(shù)值模擬的主梁及墩的靜風(fēng)系數(shù)，采用Ansys對(duì)其靜風(fēng)或抖振響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算分析[1-4]，或采用Ansys的接觸分析，研究球鉸面的風(fēng)致響應(yīng)[5-6]，得出球鉸接觸面或上轉(zhuǎn)盤混凝土局部應(yīng)力超標(biāo)的極限風(fēng)速。顯然，以上分析計(jì)算所需的基本系數(shù)均基于規(guī)范[7]或數(shù)值風(fēng)洞的模擬結(jié)果，難以精確考察風(fēng)偏角、攻角的影響。

本文利用轉(zhuǎn)體施工T構(gòu)的氣彈模型，在均勻流場(chǎng)、通過非接觸式激光位移計(jì)與安裝于墩底的高頻底座天平，直接測(cè)出不同風(fēng)速及風(fēng)偏角下T構(gòu)懸臂端的位移及墩底內(nèi)力。所得結(jié)果可與計(jì)算分析模型相校核，可為分析模型精確化的改進(jìn)提供試驗(yàn)依據(jù)。

1 工程背景

方案橋系采用轉(zhuǎn)體施工、雙幅并列的城際跨越既有線路的一座公路橋，本文以其右幅T構(gòu)轉(zhuǎn)體施工最大雙懸臂狀態(tài)為研究對(duì)象，主梁為單箱三室鋼箱梁，梁寬約49.2 m，橋面高度約27.3 m，跨度達(dá)120 m，特設(shè)臨時(shí)塔架及斜拉索，以確保轉(zhuǎn)體施工的順利進(jìn)行。轉(zhuǎn)體施工前的T構(gòu)及臨時(shí)塔架、斜拉索等，如圖1所示。

根據(jù)橋址位置及具體地貌，參照文獻(xiàn)[7]，將其設(shè)計(jì)基本風(fēng)速確定為U10=36.6 m/s，地表類別為B類。由此得其施工狀態(tài)的橋梁設(shè)計(jì)基準(zhǔn)風(fēng)速為：Usd=39.7 m/s。

2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

采用Ansys進(jìn)行T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析時(shí)，其主梁和主墩均采用空間梁?jiǎn)卧M，塔架及斜拉索則采用空間桿單元模擬，其中斜拉索為僅受拉的空間桿單元，并由索的初始張力換算而得的初應(yīng)變，考慮斜拉索初始張力對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析的影響。T構(gòu)施工態(tài)的有限元模型如圖2所示。

T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)的前6階模態(tài)頻率及振型特征見表1。由表1可見，T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)的基本振型以主梁豎擺、橫擺及對(duì)稱豎彎為主。主梁第一對(duì)稱橫彎及對(duì)稱扭轉(zhuǎn)的頻率均已較高。

3 氣彈模型均勻流試驗(yàn)及結(jié)果

T構(gòu)最大雙懸臂施工狀態(tài)的氣彈模型設(shè)計(jì)，采用了1∶40的幾何縮尺比，相應(yīng)的風(fēng)速比為1∶400.5，頻率比為400.5∶1。試驗(yàn)在XNJD-3工業(yè)風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞是目前世界最大的直流式、邊界層風(fēng)洞（指適用于土木工程、環(huán)境工程等風(fēng)洞試驗(yàn)的工業(yè)風(fēng)洞）。其試驗(yàn)段尺寸為22.5 m（寬）×4.5 m（高）×36.0 m（長(zhǎng)）;試驗(yàn)風(fēng)速范圍為1.0～16.5 m/s。

在進(jìn)行均勻流場(chǎng)風(fēng)洞試驗(yàn)前，首先采用自由振動(dòng)衰減法完成氣彈模型的模態(tài)測(cè)試。T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)氣彈模型的模態(tài)測(cè)試結(jié)果見表2。表2表明T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)氣彈模型的動(dòng)力特性達(dá)到了文獻(xiàn)[7]的各項(xiàng)要求。

考慮到橋梁變截面、橋面橫、順橋向坡度的影響，為詳細(xì)考察不同風(fēng)偏角下、T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)氣彈模型在均勻流場(chǎng)下的風(fēng)致響應(yīng)，特設(shè)置了如圖3所定義的8個(gè)不同風(fēng)偏角。試驗(yàn)時(shí)，T構(gòu)最大雙懸臂狀態(tài)氣彈模型較高懸臂端（與圖中Y1墩頂相對(duì)應(yīng)）的豎向及橫橋向位移，均由KEYENCE非接觸式IL-1000（Intelligent Laser Sensor）激光位移傳感器測(cè)量。

墩底內(nèi)力采用的9105-NET-OMEGA191-IP68的ATI多軸力與力矩（6分量），如圖4所示。安裝于墩底截面的天平測(cè)試結(jié)果已經(jīng)調(diào)整為：Fx與橋軸（即結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系的OX軸）平行，F(xiàn)z與橫橋向（即結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系的OZ軸）平行，F(xiàn)y則與豎直向平行（即結(jié)構(gòu)坐標(biāo)系的OY軸），三軸彼此正交，并符合右手螺旋法則。其Tx、Ty與Tz分別為繞各自力軸的彎矩，其中Tx、Tz分別為面外及面內(nèi)彎矩，而Ty即扭轉(zhuǎn)力矩。

由于轉(zhuǎn)體施工狀態(tài)與成橋狀態(tài)的體系轉(zhuǎn)換，氣彈模型支座系以成橋狀態(tài)的墩底高度為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，測(cè)力天平也安裝于此墩底截面，而在轉(zhuǎn)體施工時(shí)，T構(gòu)上部結(jié)構(gòu)的重量及所受風(fēng)荷載，均由球鉸面承受。故，由試驗(yàn)所測(cè)得的墩底截面內(nèi)力，尚需根據(jù)力的平移法則，換算至球鉸中心處截面（圖5）。

圖7給出了8個(gè)不同風(fēng)偏角下、主梁懸臂端豎向及橫橋向位移的最大單邊振幅隨風(fēng)速的變化。該圖表明，在此狀態(tài)下，懸臂端位移以豎向?yàn)橹鳎乙栽谡伙L(fēng)作用時(shí)響應(yīng)最大。由于橋面橫橋向坡度的影響，豎向位移隨風(fēng)速的變化規(guī)律，對(duì)于風(fēng)偏角而言，僅保持趨勢(shì)的一致，而非完全對(duì)稱。

圖8～圖10分別給出了在不同風(fēng)偏角下、墩底截面（已換算至球鉸中心處截面）三個(gè)軸向內(nèi)力Fx、Tx，F(xiàn)y、Ty，F(xiàn)z、Tz隨風(fēng)速的變化。

文獻(xiàn)[3]所計(jì)算分析的T構(gòu)，其結(jié)構(gòu)特征、尺度等與本文研究對(duì)象大致相同，對(duì)比其墩底內(nèi)力（力矩）計(jì)算結(jié)果，與以上正交風(fēng)作用時(shí)、相同風(fēng)速下的測(cè)試結(jié)果大體相當(dāng)。驗(yàn)證了利用高頻底座天平直接測(cè)試轉(zhuǎn)體施工的T構(gòu)墩底風(fēng)載內(nèi)力的可行性與可靠性。

4 結(jié)束語

對(duì)于轉(zhuǎn)體施工的T構(gòu)。其球鉸是轉(zhuǎn)體施工時(shí)承擔(dān)上部結(jié)構(gòu)重量的主要載體。隨著材料與施工技術(shù)的進(jìn)步，轉(zhuǎn)體施工的T構(gòu)，主墩漸高，主梁也日益更寬、更高、更長(zhǎng)，其質(zhì)量及阻尼相對(duì)減小，在風(fēng)敏感區(qū)進(jìn)行轉(zhuǎn)體施工時(shí)，有必要考慮風(fēng)致振動(dòng)對(duì)球鉸截面內(nèi)力的影響。利用高頻底座天平，進(jìn)行T構(gòu)轉(zhuǎn)體施工最大雙懸臂狀態(tài)氣彈模型風(fēng)洞測(cè)力試驗(yàn)，可簡(jiǎn)便、有效地獲得此時(shí)球鉸中心處截面的風(fēng)載內(nèi)力，既可為大型T構(gòu)的轉(zhuǎn)體施工提供驗(yàn)算根據(jù)，也可為相應(yīng)的理論計(jì)算、分析模型提供必要的參考、校訂依據(jù)。

參考文獻(xiàn)

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