第二篇 钱江四桥重大专项技术研究第四章 钱江四桥风洞模型试验

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第四章　钱江四桥风洞模型试验与分析研究　１１３

第四章　钱江四桥风洞模型

　试验与分析研究

第一节　前　言

杭州市钱江四桥位于钱塘江出海口处，受大陆季风及海洋台风影响，风环境较为恶劣。为考查杭州市钱江四桥的抗风安全性和行车舒适性，对该桥１９０ｍ跨进行了一系列节段模型风洞试验及计算分析研究。

根据钱江四桥双层桥面的特殊性及车辆气动力测量的要求，开发研制了新型试验装置，包括用于测量静力三分力的交叉滑槽系统，用于进行动力试验的特殊悬挂系统。利用交叉滑槽系统，通过风洞模型试验获得了双层桥面静力三分力系数、列车侧向阻力系数，还通过节段模型试验测量了拱肋静力三分力系数，从而为风载内力计算和车桥耦合振动计算提供气动力参数。通过节段模型试验测定了主桥颤振临界风速和主梁涡激振动响应。根据试验获得的气动力参数，计算了结构的抖振响应，进而获得了风载内力。

研究表明，钱江四桥具有良好的抗风安全性和行车舒适性。

第二节　设计基准风速和颤振检验风速的确定

根据枟公路桥涵设计通用规范枠（ＪＴＪ０２１—８９）中的全国基本风压分布图，桥址位于５００Ｐａ的等压线附近，故２０ｍ高度处１００年一遇的１０ｍｉｎ平均最大风速为：

　　Ｕ２０＝１．６Ｗ０＝１．６×５００＝２８．２８ｍ／ｓ

参考枟公路桥梁抗风设计指南枠中关于不同高度处风速换算的规定，１０ｍ高度处１００年一遇１０ｍｉｎ平均最大风速（即基本风速）为：

　　Ｕ１０＝０．８３６Ｕ２０＝２３．６４ｍ／ｓ

考虑到钱江四桥桥位处水面开阔（桥位处江面规划宽度为１１６０ｍ），故确定该桥桥位为Ｉ类地表粗糙度类别。主梁（上、下桥面平均高度处）距水面平均高度约２４畅３ｍ，则Ｋ１＝１畅３３，该桥主梁设计基准风速为：

　　Ｕｄ＝Ｋ１Ｕ２０＝１．３３×２３．６４＝３１．４ｍ／ｓ

根据枟公路桥梁抗风设计指南枠的规定，桥梁的颤振检验风速为［Ｕｃｒ］＝１．２μｆＵｄ，其中，１畅２为综合安全系数，μｆ为考虑风的脉动特性以及空间相关特性影响的修正系数，根据跨度和地表粗糙度类别应取μｆ为１畅２７，所以成桥状态的颤振检验风速为：

　　［Ｕｃｒ］＝１．２×１．２７×３１．４＝４７．９ｍ／ｓ

　１１４　　第四章　钱江四桥风洞模型试验与分析研究第三节　结构动力特性分析

采用桥梁结构分析程序ＢＳＳＡＰ对该桥的三维自振特性进行了计算分析。计算中考虑了拱肋初始轴力的影响，将桁架式拱肋等效为空间梁单元，桥面板采用板单元来模拟，吊杆采用杆单元。结构的有限元离散图如图４‐１所示。

钱江四桥成桥状态每跨均为简支，支座采用盆式橡胶支座，因而墩与系梁处的约束条件为：（１）滑动铰支座处，系梁的横桥向线位移、竖向线位移、绕纵轴转角受桥墩约束。

（２）固定铰支座处系梁的纵向线位移、横桥向线位移、竖向线位移、绕纵轴转角受桥墩约束。（３）桩周由土弹簧约束，桩端固支。

由于抗风研究仅针对１９０ｍ主跨，因而表４‐１给出了该桥成桥状态１９０ｍ跨的前６阶自振频率及

振型特点。

图４‐１　结构有限元离散图表４‐１　成桥状态结构动力特性（１９０ｍ跨）

阶　次ＢＳＳＡＰ结果（Ｈｚ）振型特点

１０畅３５３８Ｖ－Ａ－１

２０畅３７４６拱肋侧弯

３１畅０１５９肋反对称侧弯

４１畅２６６０Ｖ－Ｓ－１

５１畅４５４２Ｔ－Ａ－１

６１畅４９９６Ｖ－Ｓ－２

注：Ｌ—横向，Ｖ—竖向，Ｔ—扭转，Ｓ—对称，Ａ—反对称。例如Ｖ—Ａ—３表示第３阶反对称竖弯。

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第四章　钱江四桥风洞模型试验与分析研究　１１５

第四节　主梁节段模型静力三分力试验

一、模型及试验设备

主梁节段模型采用１∶６０的几何缩尺比，模型长Ｌ＝２畅１ｍ。上层桥面宽Ｂ＝０畅４４ｍ，高Ｈ＝０畅０４７ｍ，长宽比Ｌ／Ｂ＝４畅７７；下层桥面宽Ｂ＝０畅５３２ｍ，高Ｈ＝０畅０４１７ｍ，长宽比Ｌ／Ｂ＝３畅９５。模型用红松木和环氧树脂板制作。

试验在西南交通大学单回流串联双试验段工业风洞（ＸＮＪＤ－１）第二试验段中进行。该试验段断面为２畅４ｍ（宽）×２畅０ｍ（高）的矩形，最大来流风速为４５ｍ／ｓ，最小来流风速为０畅５ｍ／ｓ。试验段中设有专为桥梁节段模型静力三分力试验用的侧壁支撑及测力天平系统，由计算机控制的模型姿态角α（来流相对于模型的攻角），调整机构角度变化的范围为±２０°，变化间隔最小为０畅１°，并与数据采集系统相连。用于测量静力三分力的三分量应变式天平其设计荷载为：阻力ＦＤ＝５０ｋｇｆ，升力ＦＬ＝１２０ｋｇｆ，俯仰力矩ＭＺ＝１２ｋｇｆ?ｍ。

杭州市钱江四桥上、下桥面分别通过吊杆独立地悬吊在拱肋上，结构风致响应分析中应将风荷载分别加在上、下桥面上，故需得到相互影响的上、下桥面各自的三分力系数。此外在考虑侧向风作用的车—桥共振分析中，要求得到考虑相互影响的车辆和桥梁各自的三分力系数。为了在考虑车辆、上桥面、下桥面三者相互影响的情况下测试三者各自的三分力系数，对常规桥梁节段模型测试装置进行改造，通过自行研制的交叉滑槽系统可方便地实现三者气动力的分离。

交叉滑槽系统（如图４‐２至图４‐５所示）较为简单，与常规节段模型测试系统相比，仅附加了两个条形薄板，其迎风面面积较小，对气流的影响也较小。交叉滑槽系统由固定于洞壁的端板上的环形滑槽和条形板上的直线滑槽组成，通过环形滑槽和直线滑槽交叉点的变化来调整车辆、上桥面及下桥面三者间竖向和水平向的几何相对位置，确保试验时结构的气动绕流情况与实桥一致。环形滑槽与直线滑槽交叉点处的固定杆，可将与条形板相连结构的气动力通过端板传递至洞壁，从而实现气动力的分离。此外，环形滑槽与测力轴同圆心，可实现车辆、上桥面及下桥面三者同轴转动，从而方便地进行不同攻角情况下的气动力测试。图４‐２为考虑车辆、上桥面及下桥面三者相互影响时测试下桥面气动力的示意图。由图可见，为测试下桥面气动力仅将下桥面与测力轴相连，而车辆和上桥面与固定在风洞洞壁上的端板相连。

为得到无车、迎风侧有车及背风侧有车情况下上层桥面、下层桥面及列车各自的三分力系数，共进行了以下８种工况的测试：

（１）无车情况下，上层桥面和下层桥面同时与测试系统连接，测上层桥面和下层桥面的二者的合力。

（２）无车情况下，上层桥面与测试系统分离，仅测下层桥面的受力情况。

（３）迎风面有车的情况下，上层桥面、下层桥面及车三者同时与测试系统连接，测上层桥面、下层桥面及车三者的合力（图４‐５）。

（４）迎风面有车的情况下，上层桥面与测试系统分离，而下层桥面与车同时与测试系统连接，测下层桥面和车两者的合力（图４‐４，图４‐６）。

（５）迎风面有车的情况下，上层桥面和车与测试系统分离，仅测下层桥面的受力情况（图４‐２）。

（６）背风面有车的情况下，上层桥面、下层桥面及车三者同时与测试系统连接，测上层桥面、下层桥面及车三者的合力（图４‐７）。

　１１６　　第四章　钱江四桥风洞模型试验与分析研究（７）背风面有车的情况下，上层桥面与测试系统分离，而下层桥面与车同时与测试系统连接，测下层桥面和车两者的合力。

（８）背风面有车的情况下，上层桥面和车与测试系统分离，仅测下层桥面的受力情况（图４‐６）。试验来流为均匀流，试验风速为：Ｖ＝１０ｍ／ｓ、１５ｍ／ｓ、２０ｍ／ｓ；

试验攻角为：α＝－３°、０°、＋

３°。

图４‐２　利用交叉滑槽系统测试下桥面的气动力（车辆位于桥道迎风侧

）

图４‐３　利用交叉滑槽系统测试下桥面的气动力（车辆位于桥道背风侧）

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