既有桥梁对新建斜拉桥主梁气动干扰效应的试验研究.pdf

桥梁建设2023年第53卷第S1期(总第283期)Bridg e Co nst ruc t io n,Vo l.53,No.SI,2023(To t al l y No.283)25文章编号：1003-4722(2023)Sl-0025-06 DOI：10.20051/j.issn.1003-4722.2023.SI.004既有桥梁对新建斜拉桥主梁气动干扰效应的试验研究王钺钺，丁德豪，朱玉(中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉430056)摘要：为研究既有桥梁对新建斜拉桥主梁的气动干扰效应，以京珠高速改扩建汉江特大桥为 背景，进行节段模型测力风洞试验。按1:50缩尺比制作主梁节段缩尺模型，研究既有桥梁与新建 斜拉桥相对位置关系、桥梁间距及风攻角对新建斜拉桥主梁三分力系数的彩响。结果表明：既有桥 梁对新建桥梁具有明显的气动干扰效应。既有桥梁在上游时，存在明显的遮挡效应，新建桥梁阻力 系数整体显著减小；既有桥梁在下游时，新建桥梁阻力系数在正攻角范围内显著减小。升力系数受 既有桥梁影响，绝对值整体减小，正攻角时既有桥梁在下游减小更显著。在正攻角范阖内，既有桥 梁在上游时新建桥梁升力矩系数增大，在下游时则整体减小；在负攻角范围内反之。桥梁间距对阻 力系数气动干扰效应的彩响突出，间距越大既有桥梁对新建桥梁阻力系数的气动干扰效应相对越 小，对升力系数和升力矩系数气动干扰效应的影响较小。关键词：斜拉桥；三分力系数；气动干扰效应；既有桥梁；相对位置；桥梁间距；风攻角；风洞试验 中图分类号：U44&27；U441.2 文献标志码：AExperimental Study of Aerodynamic Disturbance Effect of Existing Bridge on Main Girder of UnderConstruction Cable-Stayed BridgeWANG Cheng-cheng,DING De-hao,ZHU Yu(CCCC Sec o nd Hig h way Co nsul t ant s Co.,Lt d.,Wuh an 430056,Ch ina)Abstract:In t h is p ap er,t h e under-c o nst ruc t io n Hanj iang River Bridg e o f t h e rec o nst ruc t io n and ex p ansio n p ro j ec t o f Beij ing-Zh uh ai Ex p ressway is used as a c ase t o st udy t h e aero dy namic dist urbanc e effec t o an ex ist ing c o nt inuo us rig id-frame bridg e o n t h e main g irder o an underc o nst ruc t io n c abl e-st ay ed bridg e Wind t unnel t est s were c arried o ut wit h a 1:50 seg ment al mo del o f t h e main g irder t o st udy t h e infl uenc e o f mul t ip l e fac t o rs o n t h e t h ree-c o mp o nent c o effic ient s o f t h e under-c o nst ruc t io n c abl e-st ay ed bridg e,inc l uding t h e l o c at io ns o t h e t wo bridg es,t h e dist anc e o f t h e t wo bridg es and wind at t ac k ang l es.Th e resul t s sh o w t h at t h e ex ist ing bridg e c an int ro duc e dist inc t aero dy namic dist urbanc e effec t o n t h e under-c o nst ruc t io n bridg e.An up st ream ex ist ing bridg e ex ert s o bvio us sh iel ding effec t,wh ic h c auses o veral l dec rease o f drag g ing c o effic ient o f t h e under-c o nst ruc t io n bridg e.A do wnst ream ex ist ing bridg e c an c ause dist inc t reduc t io n o f t h e drag g ing c o effic ient o f t h e under-c o nst ruc t io n bridg e wit h in t h e rang e o f p o sit ive at t ac k ang l es.Due t o t h e infl uenc e o f t h e ex ist ing bridg e,t h e abso l ut e val ue o f l ift c o effic ient is g l o bal l y reduc ed,at p o sit ive at t ac k ang l es,t h e reduc t io n is mo re o bvio us wh en t h e ex ist ing bridg e is do wnst ream o f t h e under-c o nst ruc t io n bridg e At p o sit ive at t ac k ang l es,t h e p it c h ing mo ment c o effic ient o f t h e under-c o nst ruc t io n bridg e is inc reased under t h e infl uenc e o f an up st ream ex ist ing bridg e,wh il e g l o bal l y reduc ed under a do wnst ream bridg e,and t h e sit uat io n is o p p o sit e at收稿日期：2022-08-01基金项目：中交集团重大科技研发项目(2021-ZJKJ-08)Key Pro j ec t o f Sc ienc e and Tec h no l o g y Researc h and Devel o p ment Pro g ram o f CCCC(2021-ZJKJ-08)作者简介:王钺钺，高级工程师,E-mail：386913667q q.c o m。研究方向：桥梁结构设计。通信作者：丁德豪，高级工程师,E-mail:1194817323q q.c o mo研究方向：大跨与新型桥梁结构设计。26桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)neg at ive at t ac k ang l es.Th e dist anc e o f t h e ex ist ing and under-c o nst ruc t io n bridg es h as dist inc t infl uenc e o n t h e aero dy namic dist urbanc e effec t o f drag g ing c o effic ient,t h e big g er t h e dist anc e,t h e weaker t h e aero dy namic dist urbanc e effec t o n t h e drag g ing c o effic ient o f t h e undeic o nst ruc t io n bridg e,h o wever,t h e aero dy namic dist urbanc e effec t o n t h e l ift c o effic ient and p it c h ing mo ment c o effic ient is minimal.Key words:c abl e-st ay ed bridg e；t h ree-c o mp o nent c o effic ient；aero dy namic dist urbanc e effec t；ex ist ing bridg e；rel at ive l o c at io n；dist anc e bet ween ex ist ing and new bridg es；wind at t ac k ang l e;wind t unnel t est1引言随着高速公路改扩建项目日益增多，紧邻既 有桥梁新建桥梁的设计方案被频繁采用，因此双 幅桥梁的气动干扰效应研究已成为桥梁改扩建必 须面对的问题，也是双幅桥梁抗风设计中需要解 决的关键问题口切。国内外学者通过风洞试验和 数值模拟对多个钝体绕流的相互干扰问题开展了 研究。刘志文等进一步开展了串列双矩形断 面和串列双流线型断面的涡振特性风洞试验研 究，结果表明间距比对2种断面类型双幅桥的气 动干扰效应影响略有不同。周锐等灼针对气动性 能较差的开口断面平行双幅桥开展了一系列节段 模型风洞试验以检验其颤振稳定性，结果表明气 动干扰效应对开口断面平行双幅桥的颤振稳定性 具有不利影响，尤其是下游桥面，且随着间距比的 增大气动干扰效应的影响逐步减小。Ho nda等询 对日本关西国际机场通道桥（Kansai Int ernat io nal Airp o rt Ac c ess Bridg e,两公路梁桥之间夹有与其平 行的铁路梁桥）进行了节段模型风洞试验，研究了 公路梁桥和铁路梁桥在不同位置、不同间距下桥 梁的气动稳定性，结果表明桥面之间存在显著的 气动干扰效应且影响了桥梁的气动稳定性。刘志 文等、陈政清等畑研究了双幅桥面静力三分力 系数的气动干扰效应，结果表明双幅桥面的气动 干扰效应对阻力系数影响显著，对升力系数和升 力矩系数的影响较小。郭震山等通过测力风洞 试验研究了既有桥梁对新建桥梁（分离式双箱钢 箱梁斜拉桥）的气动干扰，结果表明气动干扰效应 对阻力系数和升力系数影响明显，对升力矩系数 影响较小。郭春平等针对某双幅连续刚构桥三 分力系数的气动干扰效应进行了数值模拟，结果 表明由于前桥对后桥的遮挡作用，后桥的静力三 分力系数受到较大影响，阻力系数、升力系数与单 桥相比显著减小，且随着前、后桥梁间距的增大，双幅桥梁之间的气动干扰效应逐渐减小。以上研究多为设计时就采用平行双幅桥面桥 梁，双幅桥结构形式相同、同时建造、完全对称，而 对既有桥梁附近后期新建结构形式不同的桥梁、不对称双幅桥间气动干扰问题则少有研究，并且 研究对象多为闭口钢箱梁断面和分离式双箱钢箱 梁断面，对抗风性能较差的双边主梁断面的研究 较少。鉴于此，本文以京珠高速湖北北段改扩建 项目汉江特大桥为背景，以考虑气动优化措施后 的双边主梁形开口断面为研究对象，通过节段模 型测力风洞试验，研究既有桥梁与新建桥梁相对 位置、桥梁间距以及风攻角等参数发生变化时，既 有桥梁对新建桥梁气动干扰的规律，可为类似改 扩建工程主梁断面气动力取值提供参考幻。2工程背景京珠高速湖北北段改扩建项目汉江特大桥采用 双塔双索面组合梁斜拉桥，五跨连续半飘浮体 系-辺，跨径布置为（60+95+450+95+60）m（图 1）。主梁采用双边主梁断面,其中边跨采用预应力 混凝土梁，中跨采用钢-混组合梁迪。港總 风攻為/图7既有桥梁在上游时新建桥梁及单独新桥三分力系数Fig.7 Three-Component Coefficients of Undei Construction Bridge Upstream of an Existing Bridge and Three-Component Coefficients of an Individual Undei Construction Bridge既有桥梁对新建斜拉桥主梁气动干扰效应的试验研究 王钺碱，丁德豪，朱 玉290 5 0 50 5 0 5221=0软涨-XJt-XY-10一一XY-15r XY-20-6-3 0+3+6+9+12风攻角/(。)(a)阻力系数(b)升力系数-12-9-6-3 0+3+6 19+12风攻角/(。)(C)升力矩系数图8既有桥梁在下游时新建桥梁及单独新桥三分力系数 Fi窖.8 Three-Component Coefficients of UndeiConstruction Bridge Downstream of an Existing Bridge and Three-Component Coefficients of an Individual Under-Construction Bridge(1)既有桥梁对新建桥梁具有明显的气动干扰 效应。既有桥梁在上游时,存在明显的遮挡效应，相 较于单独新桥，新建桥梁阻力系数整体显著减小，且 随间距变小减幅越大，间距10 m时最大减幅达单 独新桥的60%；既有桥梁在下游时,相较于单独新 桥，新建桥梁阻力系数在正攻角范围内显著减小，减 小幅度达单独新桥的35%,但是在一12一3风攻 角范围内，反而表现为明显增大。(2)升力系数受既有桥梁影响，绝对值整体减 小。在正攻角范围内，既有桥梁在下游时升力系数 减小更显著;在负攻角范围内，既有桥梁在上游带来 的减弱作用更强。(3)升力矩系数对既有桥梁与新建桥梁的相对 位置的变化较为敏感，在正攻角范围内，既有桥梁在 上游增大了新建桥梁的升力矩系数，而在下游新建 桥梁的升力矩系数反而整体减小。负攻角范围内，新建桥梁升力矩系数绝对值的变化规律恰恰相反。(4)改变既有桥梁与新建桥梁的间距对阻力系 数的气动干扰效应的影响突出，间距越大既有桥梁对 新建桥梁阻力系数的气动干扰效应相对越小;对升力 系数和升力矩系数的气动干扰效应的影响相对较小。参考文献(References):1 Irwin P A,St o y ano ff S,Xie J M,et al.Tac o ma Narro ws 50 Years Lat erWind Eng ineering Invest ig at io ns fo r Paral l el Bridg es J.Bridg e St ruc t ures:Assessment,Desig n and Co nst ruc t io n,2005,1(1)；3-17.2 刘志文，陈政清，胡建华，等.大跨度双幅桥面桥梁气 动干扰效应J.长安大学学报(自然科学版),2008,28(6):55-59.(LIU Zh i-wen,CHEN Zh eng-q ing,HU Jian-h ua,et al.Aero dy namic Int erferenc e Effec t s o f Twin Dec ks Bridg es wit h Lo ng Sp an J.Jo urnal o f Ch ang*an Universit y(Nat ural Sc ienc e Edit io n),2008,28(6)：55-59.in Ch inese)3 刘志文，栗小祜，陈政清.均匀流场串列双矩形断面涡 激振动气动干扰试验J1中国公路学报,2010,23(5):44-50(LIU Zh i-wen,LI Xiao-h u,CHEN Zh eng-q ing.Ex p eriment al o f Aero dy namic Int erferenc e o n Vo rt ex-Induc ed Vibrat io n o f Two Rec t ang ul ar Cy l inders in Tandem in Smo o t h Fl o w Fiel d J,Ch ina Jo urnal o f Hig h way and Transp o rt,2010,23(5):44-50.in Ch inese)4 刘志文，陈政清，栗小祜，等.串列双流线型断面涡激 振动气动干扰试验J中国公路学报,2011,24(3)：51-57.(LIU Zh i-wen,CHEN Zh eng-q ing,LI Xiao-h u,et al.Aero dy namic Int erferenc e Test o n Vo rt ex-Induc ed Vibrat io n o f Two St reaml ine Cy l inders in TandemJ.Ch ina Jo urnal o f Hig h way and Transp o rt,2011,24(3)：51-57.in Ch inese)5 周锐,杨詠昕，葛耀君.平行双幅桥梁的颤振控制试 验研究J振动与冲击,2014,33(12):126-132.(ZHOU Rui,YANG Yo ng-x in,GE Yao-j un.Test s fo r Fl ut t er Co nt ro l o f a Twin-Sep arat e Bridg e J.Jo urnal o f Vibrat io n and Sh o c k,2014,33(12):126-132.in Ch inese)6 Ho nda A,Sh iraish i N,Mo t o y ama S.Aero dy namic St abil it y o f Kansai Int ernat io nal Airp o rt Ac c ess Bridg e.Jo urnal o f Wind Eng ineering and Indust rial Aero dy namic s,1990,33(1/2):369-376.7 刘志文，陈政清，刘 高，等.双幅桥面桥梁三分力系 数气动干扰效应试验研究m.湖南大学学报(自然科 学版),2008,35(1):16-20.30桥梁建设 Bridg e Co nst ruc t io n2023,53(S1)(LIU Zh i-wen,CHEN Zh eng-q ing,LIU Gao,et al.Ex p eriment al St udy o f Aero dy namic Int erferenc e Effec t s o n Aero st at ic Co effic ient s o f Twin Dec ks Bridg es E J Jo urnal o f Hunan Universit y(Nat ural Sc ienc es),2008,35(1):16-20.in Ch inese)8 陈政清，刘小兵，刘志文.双幅桥面桥梁三分力系数的 气动干扰效应研究J.工程力学，2008,25(7)=87-93.(CHEN Zh eng-q ing,LIU Xiao-bing,LIU Zh i-wen.St udy o f Aero dy namic Int erferenc e Effec t s o n Aero dy namic Co effic ient s o f Twin-Dec k Bridg esEJ.Eng ineering Mec h anic s,2008,25(7):87-93.in Ch inese)9 郭震山，孟晓亮，周 奇，等.既有桥梁对邻近新建桥 梁三分力系数的气动干扰效应m 工程力学,2010,27(9),181-186,200.(GUO Zh en-sh an,MENG Xiao-l iang,ZHOU Qi,et al.Aero dy namic Int erferenc e Effec t s o f an Ex ist ed Bridg e o n Aero dy namic Co effic ient s o f an Adj ac ent New Bridg eCJ,Eng ineering Mec h anic s 2010,27(9)：181-186,200.in Ch inese)10 郭春平，白 桦，洪 光.双幅桥静分力系数气动干 扰效应研究J1重庆交通大学学报(自然科学版)，2011,30(5):899-902,942.(GUO Ch un-p ing,BAI Hua,HONG Guang.On Effec t s o f Aero dy namic Int erferenc e o n Aero dy namic Co effic ient s o f Twin-Dec k Bridg esCJ.Jo urnal o f Ch o ng q ing Jiao t o ng Universit y(Nat ural Sc ienc e),2011,30(5)：899-902,942.in Ch inese)11 胡旭辉，杨申云,李郁林，等.组合梁斜拉桥施工最大 单悬臂阶段抖振响应及减振研究J.桥梁建设，2021,51(1):21-2&(HU Xu-h ui,YANG Sh en-y un,LI Yu-l in,et al.St udy o n Buffet ing Resp o nse and Sup p ressio n Measures fo r Co mp o sit e Girder Cabl e-St ay ed Bridg e in Lo ng est Cant il ever St at e during Co nst ruc t io n J.Bridg e Co nst ruc t io n,2021,51(1):21-28.inCh inese)12 雷永富，张燕飞，韩金，等.基于风洞试验的宽幅混 合梁斜拉桥抖振性能研究口 1桥梁建设,2020,50(Sl)-32-37.(LEI Yo ng-fu,ZHANG Yanrfei,HAN Jin,et al.St udy o f Buffet ing Resp o nse o f Lo ng-Sp an Wide Hy brid Girder Cabl e-St ay ed Bridg e Based o n Wind Tunnel l est t J.Bridg e Co nst ruc t io n,2020,50(SI):32-37.in Ch inese)13 王照伟，陈占力，刘得运，等.大跨度三塔斜拉桥纵向 约束体系设计研究J1世界桥梁，2021,49(4)：42-4&(WANG Zh ao-wei,CHEN Zh an-l i,LIU De-y un,et al.Researc h o n Lo ng it udinal Rest raint Sy st em o f Lo ng-Sp an Trip l e-Py l o n Cabl e-St ay ed Bridg e J*Wo rl d Bridg es,2021,49(4)：42-4&in Ch inese)14 李冲，杨雷,刘得运，等.地震作用下多塔斜拉桥 横向约束体系研究J1世界桥梁,2022,50(5)：61-66.(LI Ch o ng,YANG Lei,LIU De-y un,et al.Researc h o n Lat eral Rest raint Sy st em o f Mul t i-Py l o n Cabl e-St ay ed Bridg e under Seismic Lo ading J.Wo rl d Bridg es,2022,50(5):61-66.in Ch inese)15 周亚栋，孙延国，李 明.大跨度斜拉桥桥塔自立状态抗风性能试验研究J.桥梁建设，2020,50(3)：52-57.(ZHOU Ya-do ng,SUN Yan-g uo,LI Ming.Ex p eriment al Researc h o n Wind Resist anc e Perfo rmanc e o f Free-St anding Py l o n o f Lo ng-Sp an Cabl e-St ay ed Bridg eJ.Bridg e Co nst ruc t io n,2020,50(3):52-57.in Ch inese)WANG Ch eng-c h engDING De-h aoZHU Yu王铤碱1986,男，高级工程师2009年毕业于武汉科技大学土木 工程专业，工学学士，2012年毕业 于武汉理工大学桥梁与隧道工程专 业，工学硕士。研究方向：桥梁结构 设计E-mail：386913667q q.c o m丁德豪1985,男，高级工程师2009年毕业于郑州大学土木工程 专业，工学学士，2012年毕业于西 南交通大学桥梁与隧道工程专业，工学硕士。研究方向：大跨与新型 桥梁结构设计E-mail：!194817323q q.c o m朱玉1971,男，教授级高工1995年毕业于兰州铁道学院桥梁 工程专业，工学学士，1998年毕业 于兰州铁道学院结构力学专业，工 学硕士,2005年毕业于华中科技大 学桥梁与隧道工程专业，工学博士。研究方向：大跨与新型桥梁结构 设计E-mail：736261440q q.c o m（编辑：叶青）