记录斜拉桥跨越施工空气动力学：
昂船洲大桥
摘要
本文介绍了在施工进行中对1018 m跨度昂船洲大桥的气动力分析。重点对桥梁结构在施工阶段，特别是对旋涡脱落的响应、抖振和不同振幅的影响。介绍了风洞试验的主要进行方面，包括节段模型试验，通过独立塔模型试验对不同的安装高度，和桥模型试验研究桥梁架设阶段,工程影响的结果进行了讨论。也进行了斜拉索的风洞试验，着重提到了确定电缆阻力和敏感性的风雨引起的振荡。这些研究在斜拉桥的施工过程中行为十分先进，和显着的施工方法和顺序为昂船洲大桥建设工作迅速完成。
关键词
斜拉桥；
风洞试验；
旋涡脱落；
抖；
发散 振幅；
阻力测量；
风雨激振
介绍
1.1。本研究背景
昂船洲大桥横跨蓝巴勒海峡，香港。这是一个主要的运输动脉，需要一个明确的跨度为1018 m和73.5 m 通航净空（图1.1和图1.2 ）。甲板上包括双箱梁，（图1.3和图1.4 ）53.30 米总宽度14.3米 中央间隙，通过单轴桥塔高298 米高的支持。悬臂架设的主要跨度构成的一个最大的操作，其类型在最近的历史（图1.5）。这座桥于2009十二月通车。
香港特别行政区政府的邀请于2003八月施工招标。该合同授予前田日立横河新昌合资（mhyh合资）四月2004。AECOM亚洲有限公司（AECOM）（原工程顾问有限公司）被任命为建议的mhyh合资投标期间，并作为其顾问的施工过程。顾问的一个方面是桥梁空气动力学的建议，以及规划，管理和监督的综合风洞试验，以及评估和使用的建筑工程测试结果。
建筑空气动力学风洞调查的规划，详细研究了桥梁的特征模态在不同阶段的安装[ 4 ]，连同评估的风数据捕获的高桅杆结构安装在桥址。
建筑空气动力风洞试验方案全面。它包括截面模型调查的基本气动参数和涡激的风险。这项工作是在最大可行的模型规模进行，它也利用了更大的灵活性，在选择测试风速尺度。导叶性能（图1.4和图1.6 ）降低励磁在节段模型试验研究（在 2节 下面）。气动弹性塔模型来进行研究，在安装过程中，桥上的塔的风行动，包括特种设备（在 3节 下面）。气动弹性桥模型试验用于检查湍流风的响应。在悬臂施工阶段从桥模型选择的结果，包括临时施工条件和施工设备，与桥梁结构的全动态分析对整个安装顺序，按阶段（在 4节 下面）。在拉索模型专家也进行了研究，对风和雨和缓解联合作用（在 5节 下面）。
在昂船洲大桥建设综合考虑了 。兹提 对主跨架设，以 背面的跨越施工，并 和[ 15 ] 为建筑工程的进一步具体特点。
风洞试验主要集中在完成斜拉桥系统的石匠桥已被 [ 2 ]和[ 5 ] 报道。 [ 7 ] 评论 [ 9 ]在昂船洲大桥建设空气动力学的研究， [ 10 ]， [ 11 ]，[ 12 ]和[ 16 ]；和苏通大桥的 [ 13 ]。
2。问题概述
有了对大跨径悬索桥的空气动力特性的多的经验，导致广泛的设计指导，但在1000米的斜拉桥 超出跨越进展在动力学和空气动力学方面提出了一个新的领域，特别是在桥梁建设。在过去十年中，超长跨度斜拉桥在架设过程中，包括静力学、动力学和空气动力学等方面的研究，都有着重要的探索机会。著名的例子包括1018 m主跨1088 m的昂船洲大桥和苏通大桥主跨 [ 14 ]和[ 15 ] ，后者最长的斜拉桥跨在其竣工。悬索桥至今还没有这样的跨越。
一旦安装阶段已经完成的结构动力学的斜拉和悬索结构形式在服务通常是相似的，特别是对于关键的扭转固有频率，以确保避免发散振幅振荡（颤振）。斜拉桥的结构形式更大的垂直刚度提高了垂直运动的自然频率，这往往会降低灵敏度受阵风的垂直分量。
在安装过程中的潜在动力和空气动力学问题，但是，两个桥梁系统之间的显着差异。古典悬索桥可能不会发展其扭转刚度之前的跨度，最明显的是常用的方法开始甲板架设跨度内，通常工作从中跨逐步向塔。在这种情况下，颤振的风险可能是悬索桥施工过程中的一个重要考虑因素。斜拉桥增量悬臂施工避免了这一问题。然而，增量悬臂拼装的高潮与两个悬臂结构，其在跨中连接之前。
在垂直平面，由阵风作用的垂直分量引起的弯曲叠加在安装设备的重量的作用上，包括在超出当前最外面停留时的进一步甲板部分的提升。额外的质量以及甲板弯曲连续性的情况下，意味着自然频率低于在服务条件下，增加阵风行动的敏感性。
有价值的洞察结构的行为在保持系统在悬臂尖端附近梁弯曲的相互作用的弹性地基上的BEF的类比 [ 18 ]梁，在甲板梁（以其抗弯刚度EI knm2）是由一个连续的弹性支撑衍生的涂抹的离散保持垂直刚度支撑（刚度千伏 千牛/平方米，每单位长度单位垂直偏转垂直反应）。局部荷载包括表格E–X /lambda;X和E–X /lambda;COSlambda;X衰减函数的作用下，这个系统的解决方案（其中x是从扰动的点的距离），衰减长度参数被lambda; = （4ei /千伏）1 / 4。在一般情况下，伏 价值有着密切的关系，每个待支持桥面局部段的重量在一个一致的恒载应力，结果使细长梁的衰减长度将比自由跨度小的设计假设约束。在昂船洲大桥为例，基于保持向跨中刚度衰减长度约为lambda; = 80 M.
对于荷载P应用在长端BEF溶液（半无限）成员给予挠度y0 = Plambda;3 / 2ei，和梁中最大弯矩M = 0.322plambda; = 0.64（EI /lambda;2）y0occurring在距离（pi;/ 4）lambda;从负荷。在桥梁悬臂架设中，挠度的增加是由允许在侧跨度延长的桥塔的挠度引起的，但弯矩不受影响。垂直平面的自然模式反映了这一重点的行为在附近的自由端。昂船洲大桥关键动态的时刻被发现在100 M从末发生；在第一垂直模式，这一时刻的值为M = 0.64 （EI /lambda;2）y0。第二垂直模式的频率只有约50%高
最大试验风速为24米/秒（ 相对于100 m/s全面），给雷诺兹1.8号的 times; 106 提到整体桥面宽度；上面记录的雷诺兹0.8号的 times; 106为系数的边际变化。例如，在测试configuration-1（图2.1），测量畅通在这两个雷诺兹数的阻力系数的差异是2%左右。在光滑流动和网格产生的湍流进行测试。在不可避免的严重不匹配的湍流尺度识别模型的线性范围，减小了总的湍流强度的产生，设计用于在频域模拟指定的湍流谱（F）0.3 lt; FB / V lt; 3为名义的“土地”和“洋取取“风”的定义。
所有的力系数和名义上的雷诺兹数是根据桥面宽度（B = 53.3 M全面，1060 毫米尺度模型）。的基本配置测试结果（测试configuration-1）的一种在垂直平面内的风倾角的函数是 图2.3所示。
测量的基本部分的阻力和升力系数（configuration-1）在0°风发生率分别为0.098和0.106，畅通。湍流一般增加了15%的阻力为海提取条件和土地提取条件的30%。
2.2。对临时安全扶手系统的影响评估（图2.4）
基本部分有一个比临时安全扶手和坚实的踏板部分明显降低阻力的基本断面的静载荷的测量（图2.5）。额外的测试，因此制定，协助在临时安全扶手系统的优化设计，以减少横向风荷载对结构施工。
在风的阻力增加40%，相对于裸甲板配置没有暂时的安全扶手，记录与安全网和坚实的踏板扶手的系统配置。这一增长降低到25%，使用多孔趾板类似的孔隙率，安全网。全断面流量模式被认为是两个临时安全扶手系统测试明显不同。用坚实的踏板系统可能引起流动分离在上游边缘而多孔的踏板系统不可能产生同样的效果。
对于一个开放的“轨”扶手的甲板配置，没有安全网和多孔的踏板，阻力的增加相对于基本部分的范围在17%到20%。下甲板访问门的边缘轨道梁也有助于增加的基本桥面的横截面的整体阻力。
在选定的测试配置测试的阻力系数是 图2.4所示。
2.3。不同的振幅响应
基本的测试配置，包括导叶、索锚具及临时扶手，代表I = 24.4 T／M全面质量，采用回转 R = 17.5 M.广泛研究的有效质量半径是由本征模式的发展在整个安装顺序 [ 4 ]，确定不同振幅响应潜在的模式组合，确保指定为这个项目颤振标准很高的风速强劲的覆盖。这项研究包括特征分析的桥梁安装阶段的情况下，没有施工厂房和设备，探测灵敏度的植物/设备质量的模态响应。在最大安装悬臂条件下，施工设备/设备的存在降低了基本频率7%。主要贡献的装置/设备质量是由于桥面吊机每个重达743 T.
为扭转模式的最低频率，之前产生的连接跨中同时还支持安装设备，是 = Hz 0.43英尺。这对应于最大悬臂安装条件。。与斜拉索面导致很高的率值箱梁组合（英尺/ FB）在扭转和弯曲的基本频率，通常英尺/ FB = 2.06。由于这些模式有大致匹配的模式形状，这种组合被认为是可能的情况下，验证的发散振幅（颤振）的行为。降低英尺/ FB = 1.60和1.20也被检查的值，以确保频率比灵敏度不以形状匹配模式下可能的耦合。作为灵敏度进一步检查，测试重复任意增加的质量，对应36.6 T/m.这被认为盖观察，虽然是一般小的相关动态交互的甲板和塔之间，有一些模式，这导致了有效质量显着增加，称为甲板。对于上述的基本动力学特性、颤振标准质量参数（以参考尺寸B = 53.3 m，无视中央的缺口，任何影响和回转 R = 16 M质量半径）是mu; = sir/rho;B3 = 2.30。
在昂船洲大桥，设计风速标准规定 颤振失稳95米/秒，在甲板上，在“无交通”的条件，0°风发病率。Selberg [ 8 ] 解析近似的经典颤振速度VF 然后VF = 3.7ftb {mu;（1–FB2 /平方英尺）} 1 / 2 = 112 米/秒，提供信心，中央间隙的影响足以抵消任何缺口这个精简断面颤振动力学满足规范要求。的反应记录在测试上的风速度的方法建立了在垂直平面内的攻击角度总结之风。2.6、以降低风速表示。没有关键的不稳定性被发现的范围内的设计风速的任何测试的情况下。
2.4。涡流反应
线性比例的截面模型的选择要求之间的细节和整体的流动图案表示的细节表示的妥协，后者要求足够高的纵横比（AR），定义为模型长度之间的隧道壁的宽度的甲板宽度。大比例尺1:50，导致异常低值 AR = 2.7，考虑到困难，在导叶 [ 1 ] 性能归因于雷诺兹数效应指由叶片产生的风管宽度的验证报告的其他调查，这是只有600 毫米尺寸。这是公认的，承认雷诺兹数的双重优势，从提高临界速度以及绝对尺寸的增加，以及刚性模型支持更高的频率调谐的安装。雷诺兹数在潜在的涡流共振速度，简称为管道宽度，因此约3500。验证导叶性能的结果被视为完全满意。
涡流反应的基本配置如上述（#39;configuration 1）并与导叶略（#39;configuration 1e”）。测量进行了畅通的minus; 5°在2.5°增量和在一个水平的结构阻尼远低于预期水平的5°足尺结构不同的入射角（通常的0.013的对数衰减率为弯曲和扭转0.023对数递减顺序）。频率比英尺/ FB 设定为1.2。垂直和扭转的反应出现独立的近恒定振幅的临界风速。结果是 图2.7和图2.7 A和B所示，随着风速的标准降低速度V / FBB和V / FTB分别给予。观察到强烈的有益效果的导叶。导叶被发现，有效地减少了涡脱落响应的所有风发生率检查，基本消除了共振涡脱落在0°风率。
2.5。气动阻尼
气动阻尼的弯曲和扭转的桥面进行基本的桥面结构（configuration-1）。
变化的弯曲和扭转的总阻尼（结构与气动阻尼）降低风速和畅通，海取土地获取的条件下，在 图2.8和图2.9所 。结果表明，气动阻尼桥面竖向弯曲和扭转的可能是比较大的结构阻尼降低风速高于V / FBB = 1和V / FTB = 1.5 弯曲和扭转分别在设计风上升速度的二十倍固有的结构阻尼期待这种类型的结构（焊接钢桥梁、结构阻尼通常是0.02的对数衰减）。这表明，这些模式的抖振响应的桥面将主要由气动阻尼；这与该桥模型试验的结果一致（4节）。
三.气弹塔模型风洞研究
昂船洲大桥298米高的塔 。下钢筋混凝土截面的塔有一个复杂的几何变化从一个扩展的椭圆形24 M times; 18 米，一个14米直径的空心圆 桥面梁水平（ 70mpd）和尖细又11 m圈 175mpd。上塔有一个圆形缩小11 米至7米的直径 。
临时工作和建设用于塔安装设备主要包括塔式起重机、旋臂起重机、工作平台、支撑和辅助项目（图3.1），他们为1:200比例的气动弹性塔模型试验（图3.2）。
他风洞试验的桥头堡建设包括开口谐振响应和塔在安装过程中的气动稳定性的涡的评估，在评估风倾覆力矩的峰值，基于一系列的1:200比例的气弹模型试验。四安装高度选择的调查：119 m，174 m，246 m和293 m （全高度独立塔）。作为风洞研究的一部分，施工厂房和设备的平均风荷载和塔的涡脱落响应的施工阶段的空气动力学干扰的影响进行了检查（图3.3）。
气弹塔模型风洞试验验证了结构的充分性和空气动力学性能的塔在安装阶段。进行搜索，以检测可能的不利影响，在一定的风向，其中从塔式起重机的唤醒可能会影响从塔的主体的流动分离。没有这样的不利影响。
测试得出的结论是阻尼是有效的抑制涡脱落响应和响应一般由施工厂/设备的存在减少。
记录在测试塔的反应是 图3.4和图3.5给出
4。气动弹性桥梁模型风洞研究
为一个线性表被选为气弹模型（图4.1），允许和湍流结构的细节很好的表现。要实现这一规模的风洞内同时保持从隧道壁的悬臂端足够的间隙，地跨略有缩减，以取代弹簧约束保留正确的振型影响悬臂响应。
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