童思雨 （同济大学，上海 200092）
1 引言
为在充分满足日益增长的交通通行能力需求的同时尽可能节省宝贵的桥位资源，近年来我国规划建设了不少大跨度公铁两用桥梁。公铁两用桥梁能够充分发挥铁路桥和公路桥竖、横向刚度互补的优势，恰能满足高速铁路和高速公路对桥梁刚度的需求。公铁两用桥梁根据铁路和公路的相对位置，可分为公铁分层合建、公铁平层合建以及公铁分建三种形式。公铁平层合建形式相较于通常采用的公铁分层合建形式具有主梁高度小、受风面积小、横向刚度大、减小引桥高度和规模等优势，应用也逐渐增多，如金海特大桥、临港长江大桥等。公铁平层合建桥梁因其桥面宽度较大，常采用桁梁、T型梁等形式。金海特大桥主梁采用了一种新型的挑臂式钢箱梁结构，该形式可使结构更加轻盈美观，节省用钢量，具有良好地经济性和美观性。
大跨度桥梁的抗风性能备受重视，公铁平层合建桥梁因桥面宽度大，断面绕流沿宽度方向变化差异较大。目前，对于公铁平层合建桥梁的抗风性能研究还比较少，对于挑臂式钢箱梁的抗风性能研究也多集中于公路桥。为研究采用挑臂式钢箱梁的公铁平层合建桥梁的抗风性能，本文以某公铁平层合建斜拉桥为例，对其开展风洞试验研究。该桥主桥为双塔双索面半漂浮体系斜拉桥，主桥全长 786m，跨径布置为（66+160+388+166+56）m，主梁高4.73m，桥面全宽57.1m，两侧挑臂宽16.25m，挑臂间距为6m，主梁断面如图1所示。
图1 主梁断面布置（单位：mm）
2 结构动力特性分析
2.1 有限元模型
本文使用有限元分析软件ANSYS建立了该桥的三维有限元模型（图2）。模型采用脊骨梁形式，其中，主梁、桥塔和桥墩采用梁单元进行模拟；斜拉索采用杆单元进行模拟，同时考虑了拉索垂度效应的影响；桥面铺装、铁路道砟等二期恒载和主梁的质量惯性矩采用质量单元进行模拟。
图2 主桥有限元模型
2.2 结构动力特性
该桥成桥状态和施工状态的动力特性见表1。由表1可知：该桥的刚度较大，因此第一阶竖弯频率和扭转频率均较高，故该桥发生颤振和静风失稳的可能性比较小；此外，由于该桥宽度较大，如果发生涡激共振则会严重影响公路、铁路运行安全，需要特别重视。
结构动力特性（单位：Hz） 表1
3 主梁节段模型风洞试验
3.1 节段模型设计
主梁节段模型几何缩尺比为1：75，模型长1.74m，宽 0.761m，高 0.063m，阻尼比为0.003。模型采用PVC板、轻质木板和薄钢板制作，护栏根据图纸尺寸采用塑料板制作。试验均在均匀流场条件下进行，主梁节段模型如图3所示。
图3 主梁节段模型
3.2 静力三分力试验
静力三分力系数与桥梁的静力稳定性和动力稳定性都有密切联系，是研究桥梁抗风性能的重要基础参数。试验中风攻角为―12～+12，攻角变化步长=1，试验结果取7.2m/s和10m/s两种试验风速下结果的平均值。主梁风轴坐标系下成桥状态和施工状态的静力三分力系数随攻角的变化见图4和图5，同时还比较了试验结果和使用计算流体理力学（CFD）计算的静力三分力系数结果的区别。
由图4和图5可知，除极个别风攻角外，成桥状态和施工状态的升力系数曲线斜率为正，根据准定常驰振理论，该桥不会发生驰振；CFD计算结果与试验所得结果大体一致，表明CFD在计算主梁静力三分力系数方面具有较高的可信度。
图4 成桥状态主梁静力三分力系数
图5 施工状态主梁静力三分力系数
3.3 颤振试验
主梁颤振试验对模型的成桥状态和施工状态的 -3、0、+3三种风攻角进行了颤振临界风速测试，并根据试验风速与实桥风速之比计算实桥的颤振临界风速，试验结果见表2。可知成桥状态和施工状态下主梁颤振临界风速均远大于相应的颤振检验风速，该桥在成桥阶段和施工阶段的颤振稳定性均满足规范要求。
成桥状态和施工状态主梁颤振临界风速试验结果 表2
3.4 涡激共振试验
对成桥状态和施工状态下-3、0和+3三种风攻角进行了主梁涡激共振试验，试验风速为0～8m/s，风速步长为0.5m/s，在涡振发生风速区间内控制风速步长为0.1m/s，以确保测得的涡激共振幅值较为准确。试验结果表明，该桥在施工状态下不会发生涡激共振，在成桥状态下不会发生竖向涡振，但会发生涡振幅值不超过规范允许振幅的扭转涡振。扭转涡振试验结果见图5，其中，扭转共振允许振幅为0.1213（根据《公路桥梁抗风设计规范》计算）。
从图6中可以得知，节段模型在0攻角下涡振幅值最大，达到允许振幅的51%，其风速锁定区间为24.31m/s～27.29m/s，考虑到该桥需要通铁路，因此建议使用阻尼器适当增加阻尼或气动控制措施降低扭转涡激共振幅值。
图6 成桥状态主梁扭转涡振幅值
4 结论
本文基于某公铁平层合建挑臂钢箱梁桥主梁节段模型风洞试验，得到了以下主要结论：
①该桥成桥状态和施工状态在绝大多数攻角下升力系数斜率为正值，该桥驰振稳定性满足要求；静力三分力系数CFD数值计算结果与试验结果大体一致，使用数值方法计算静力三分力系数具有较高的可信度。
②成桥状态和施工状态的主梁颤振临界风速远高于相应的颤振检验风速，颤振稳定性满足要求，且有较大富余。
③施工状态主梁在不同风速和风攻角下未发生涡激共振现象；成桥状态主梁在0攻角下会发生较为明显地扭转涡振现象，但振幅未超过规范允许振幅，考虑到该桥需要通铁路，因此建议使用阻尼器或气动控制措施降低扭转涡振幅值。
