斜拉桥附属结构对风致振动影响的实验与数值研究

《Scientific Reports》：Experimental and numerical study of the effect of appurtenances on the wind-induced vibrations of a cable-stayed bridge

　　

摘要

本研究旨在填补斜拉桥在施工阶段和运营阶段中因横风引发的动态响应比较评估方面的空白。尽管数值模拟技术已逐步完善，但对于栏杆系统、轨道系统及各种附属装置等关键因素的影响，实验研究却鲜有涉及。本研究通过数值模拟与实验相结合的方法，分析了斜拉桥在施工阶段和竣工后的横风振动情况，同时考虑了静风荷载、湍流引起的抖动以及传递到桥梁主梁上的自激力。准确评估这些附属装置对桥梁动态性能和空气动力特性的影响，对于保障斜拉桥的结构安全与稳定性至关重要。分析结果表明，随着桥梁从施工阶段进入竣工阶段，其对风荷载的敏感度逐渐提升，具体表现为阻力增加20%，升力减少64%，而滚转力矩则大幅上升52%。此外，桥梁对风的动态响应会随着风速的增加而显著增强。更值得注意的是，桥梁对风荷载的动态响应敏感性在竣工前后会有明显变化：在施工阶段，垂直位移和加速度分别最多可降低79%和40%，说明此时桥梁的垂直稳定性较差；而竣工后的桥梁则横向稳定性更低，横向加速度最多上升69%，横向位移最多仅增加23%。数值模拟结果与风洞实验数据对比显示，不同阶段的桥梁表现存在差异：在施工阶段，尤其是在较高风速下，两种方法的位移结果较为吻合；而在竣工阶段，低至中等风速下两者结果尚可，但高风速时则出现明显偏差。针对竣工后的桥梁进行的直接风洞试验并未发现常规的颤振或跳跃现象，仅在攻角为-3°时观察到轻微颤振。其临界风速超过108米/秒，远高于所需的验证标准。这些研究结果表明，需要开展考虑各组件细节及动态力相互作用的阶段性脆弱性评估。本研究建议运用风洞实验和随机输入等先进技术，以提高斜拉桥在整个生命周期内面对强风条件时的安全性和抗灾能力。