现代大跨度桥梁由于跨度桥梁特别是钢结构桥梁,由于频率低、质量小、阻尼低,是风致振动的敏感结构,必须考虑结构的抗风安全性。根据规范,对跨度超过200米的大跨度桥梁须通过风洞试验、风致振动分析等手段,对大桥的抗风性能进行全面评估,以检验大桥的抗风设计,并为可能存在的抗风问题提出有效、经济的对策。 本课题的工程背景是宁波市环城南路快速路奉化江大桥,该桥位于浙江宁波,属于沿海大风多发地区。大桥为环城南路快速化改造,跨越奉化江的节点,为节约造价,快速路高架主线采用中承式系杆拱桥,大桥主跨一跨过河,主跨为260m,边跨跨径采用55m,全长370m,辅道利用原环城南路芝兰桥,因此形成并行拱桥形式。 奉化江大桥跨度大,为中承式系杆拱桥;且大桥中跨采用质量较轻、阻尼较小的钢拱肋,因此大桥主梁的涡激振动特性必须予以充分重视,以确保大桥的施工安全以及成桥运营的安全性和舒适性。另一方面,桥位所在地区气象条件较复杂,易受夏秋季的强对流天气影响,同时桥址处还受到周围山区的脉动风影响,桥梁的最大悬臂施工状态的风致限幅振动(抖振响应)应引起重视。此外,由于主桥采用并行拱桥形式,且在两幅主线桥梁间保留老桥,四幅桥面桥梁间相互的气动干扰效应,新建桥梁对老桥运营安全性和行车、行人舒适性的影响均有必要进行分析研究。 根据课题所依托的工程实际和研究对象的结构特点,本课题研究了五方面的内容: 
1、风参数确定 
2、结构动力特性计算 
3、主梁节段模型试验
4、全桥气动弹性模型试验 
5、并行拱桥对既有桥梁的风场影响分析 
本课题的主要结论有: 
1、通过奉化江大桥全桥气动弹性模型风洞试验可知: 
(1)当来流为均匀流时,在检验风速范围内,成桥状态和施工状态主梁在各种工况下均未发生主梁颤振、驰振及横向屈曲、扭转发散的静力失稳现象。 
(2)均匀流试验过程中,在设计风速范围内,成桥状态和拱体最大悬臂施工状态以及在三种风攻角下(0°、±3°)下未观察到明显的主梁竖向涡激振动现象。 
(3)当来流为均匀流时,在设计风速范围内,拱体在最大单悬臂状态未观察到涡激振动现象,也未出现静力失稳现象。 
(4)在设计风速和D类边界层流场条件下,成桥状态主梁在三种风攻角下(0°、-3°、+3°)下的试验结果分别是:迎风侧主梁竖向振幅分别为21.6mm、23.6mm、22mm,迎风侧拱肋横向振幅分别为23.9mm、27.4mm、20.3mm。背风侧主梁竖向振幅分别为32.2mm、40.3mm、33.8mm,背风侧拱肋横向振幅分别为26.5mm、28.4mm、26mm。 
(5)来流为紊流时,在检验风速范围内,模型主梁均未出现振幅发散的颤振及驰振等气动失稳现象。在设计风速范围内的各试验工况下,模型主梁在竖向和扭转等方向均未发生明显的涡激振动现象。 
(6)当来流为紊流时,在设计风速范围内,拱体在最大悬臂施工状态未观察到涡激振动现象,也未出现静力失稳现象。 
2、通过Fluent数值模拟分析新建桥梁对邻近既有桥梁风场的气动干扰效应,以及分析新建桥梁主梁和拱肋的三分力系数随不同新桥中心距变化的规律,得到如下结论: 
(1)三种断面在相同风攻角下,考虑新桥与否,既有桥梁桥面风场具有相似性。 
(2)-3度攻角下,既有桥梁桥面车辆重心处风速放大系数减小,0度和+3度攻角下,既有桥梁桥面车辆重心处风速放大系数略微增加,但风速放大系数都小于1,表明新桥修建后对老桥桥面行车安全影响不大。 
(3)阻力系数随中心距增加而增加,升力系数随中心距增加而减小,力矩系数随中心距增加基本保持不变。这是由于桥梁中心距增大,遮挡效应降低,各断面之间的相互气动影响减弱的结果。 
(4)目前我国桥梁规范中只考虑单幅桥梁自身的静风荷载,而对于其受邻近桥梁的气动干扰作用没有考虑。实际上,邻近桥梁间的气动干扰作用不可忽略。尤其是在既有桥梁附近修建新桥,既有桥的断面特征不易改变,干扰效应可能产生的负面效应将给新建桥的设计带来较大困难。 
本课题的创新内容如下; 本课题以宁波市环城南路快速路奉化江大桥为依托,对大跨度并行钢拱桥抗风性能研究进行了系统的研究, 1、利用风洞试验和理论分析,系统分析了大跨并行钢拱桥的抗风性能,在检验风速范围内,成桥状态和最大悬臂施工状态下结构主梁、拱肋均不会发生颤振、驰振及横向屈曲、扭转发散、竖向涡激振动失稳现象,为本工程施工和运营阶段的抗风稳定性提供了科学依据,为台风地区此类桥梁建设提供了参考。 
2、数值模拟和风洞试验表明并行拱桥的拱肋和主梁气动力及风致响应特征存在相互影响,这种影响不可忽略,通过研究得到并行拱桥间距对其抗风性能的影响规律。 
3、采用数值模拟方式对四幅桥面桥梁气动干扰效应进行了数值模拟研究,获得新建大桥对老桥的风场气流干扰情况,研究表明本工程新建桥梁对老桥运营安全性和行车、行人舒适性的影响不大,但新建桥梁对于老桥风场存在一定影响,在设计中应予以考虑。