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桥梁抗风气动弹性测试方案

一、概述

1.1测试背景

随着桥梁跨度不断增大，结构轻柔化趋势显著，风致振动已成为影响桥梁安全与运营的关键因素。历史上，塔科马海峡大桥因颤振风毁事件（1940年）揭示了气动弹性失稳的严重危害，此后桥梁抗风研究逐步受到重视。现代大跨度桥梁（如斜拉桥、悬索桥）具有质量轻、阻尼低、柔性大的特点，在强风作用下易发生颤振、驰振、涡激振动、抖振等气动弹性现象，可能导致结构疲劳损伤、行车舒适性下降甚至整体失稳。我国沿海及山区风环境复杂，年均风速较高，部分桥梁所处区域设计风速超过40m/s，抗风设计要求严苛。现行《公路桥梁抗风设计规范》（JTG/T3360-01-2018）明确要求，对主跨超过400m的桥梁应进行气动弹性模型试验，以验证结构抗风性能。因此，开展桥梁抗风气动弹性测试是确保大跨度桥梁全生命周期安全的重要技术手段。

1.2测试目的

桥梁抗风气动弹性测试的核心目的在于通过模拟实际风环境，定量评估结构在风荷载作用下的动力响应与稳定性。具体包括：其一，获取桥梁主梁、桥塔等关键部件的气动参数，如颤振临界风速、驰振临界风速、气动导数及气动阻尼比，为抗风设计提供直接依据；其二，识别结构在风致振动中的不利振型，尤其是扭转与竖弯耦合的颤振模态，验证设计阶段采用的气动措施（如导流板、减震栏杆）的有效性；其三，评估桥梁在不同风攻角、偏角及紊流强度下的动力响应幅值，确保抖振位移与加速度满足行车舒适性要求；其四，通过施工阶段与成桥阶段的对比测试，明确结构体系变化对抗风性能的影响，为施工期临时抗风措施提供指导。

1.3测试意义

气动弹性测试是桥梁抗风设计中的“验证性”环节，具有不可替代的技术与工程意义。从技术层面看，试验能够弥补理论分析与数值模拟的局限性，尤其对于复杂断面（如扁平钢箱梁、分离式双箱梁）的气动非线性效应，风洞试验是获取可靠数据的唯一途径。从工程实践看，测试结果直接决定桥梁的抗风安全储备，避免因抗风不足导致的结构损坏或过度设计造成的浪费，例如通过优化断面气动外形可降低颤振临界风速10%-20%，显著节约工程造价。从行业发展看，气动弹性测试技术的进步（如高频动态测力技术、多自由度耦合振动模拟）推动了桥梁抗风理论的创新，为千米级跨径桥梁的建设提供了技术支撑，助力我国从“桥梁大国”向“桥梁强国”转型。

1.4适用范围

本测试方案适用于以下类型桥梁的抗风气动弹性性能评估：一是大跨度缆索承重桥梁，包括主跨超过400m的斜拉桥、悬索桥；二是特殊结构形式桥梁，如大跨径拱桥、自锚式悬索桥等；三是复杂环境下的桥梁，如峡谷风区、沿海强台风区及高海拔地区的桥梁；四是采用新型断面材料或气动措施的桥梁，如轻质复合材料主梁、气动翼板等。测试阶段涵盖初步设计阶段的断面选型、施工阶段的稳定性验证及成桥阶段的运营性能评估，可根据设计需求选择全桥气动弹性模型试验、节段模型试验或拉条模型试验等不同方法。对于主跨小于400m的常规桥梁，若所处区域基本风速低于25m/s且断面形式简单，可参考规范采用数值模拟替代，但需通过缩尺模型试验进行关键参数校核。

二、测试准备

2.1模型设计

2.1.1相似性准则

桥梁抗风气动弹性模型设计需严格遵循相似理论，确保模型与实际结构在几何、气动及动力特性上的一致性。几何相似要求模型各部分尺寸按统一缩尺比（通常为1:50至1:100）制作，包括主梁断面、桥塔外形、拉索间距等细节，尤其是对气动性能影响显著的部位（如栏杆、检修道）需精细还原。气动相似需保证模型与实际结构的雷诺数（Re）处于同一量级，若无法完全满足，需通过增加表面粗糙度或采用大缩尺比风洞来弥补。动力相似则要求模型的自振频率、阻尼比与实际结构成比例，通常通过调整模型质量、刚度分布来实现，例如在主梁内部配重以匹配实际的质量惯矩。

2.1.2缩尺比确定

缩尺比的选择需综合考虑风洞尺寸、模型制作精度及雷诺数要求。例如，若风洞试验段截面为3m×4m，桥梁主跨为1000m，则缩尺比不宜超过1:100（模型主跨10m），否则模型阻塞比（模型占风洞截面的比例）将超过5%，影响流场均匀性。同时，缩尺比过小会导致模型制作难度增加，如拉索直径可能小于1mm，难以保证刚度相似。因此，需通过计算权衡风洞限制与模型可行性，通常选择1:60至1:80的缩尺比，既能满足阻塞比要求，又能保证模型细节的可制作性。

2.1.3材料与工艺

模型材料需具备轻质、高强、易加工的特点，常用材料包括轻质木材（如泡桐木）、ABS塑料或3D打印材料（如尼龙）。主梁断面通常采用木材雕刻或3D打印成型，桥塔采用钢材或铝合金制作，拉索则用细钢丝或碳纤维杆模拟。制作工艺需严格控制尺寸误差，如主梁断面的线形偏差不超过±0.5mm，桥塔垂直度偏差不超过1/1000。模型连接部位需采用刚性连接，如主梁与桥塔通过螺栓固定