土耳其西北地区自古以来是欧亚大陆重要的连接枢纽，近年来随着该地区经济、游客数量的快速增长，农业和过境运输的不断提升，导致现有的交通网络已无法满足交通量增长的需求。为此，土耳其政府实施了雄心勃勃的基建投资规划，恰纳卡莱1915大桥就是该规划的一部分，也是土耳其共和国建国100周年的献礼项目。
该桥位于土耳其西北部恰纳卡莱省，跨越马尔马拉海西端的达达尼尔海峡，距首都伊斯坦布尔200公里，是土耳其恰纳卡莱-泰基尔达-克纳勒岛-巴勒克西尔高速公路的控制性工程，也将为欧亚大陆的连通添加又一重要陆路通道。因1915年奥斯曼帝国与英法盟军在该地区进行过一场史称恰纳卡莱之战（又称加里波利之战）的战役，所以最初将该桥命名为1915恰纳卡莱大桥，现定名为恰纳卡莱1915大桥。
大桥为两塔三跨悬索桥，其主跨达2023米，这个数字寓意2023年纪念土耳其共和国建国100周年。该桥明年建成后，将超越保持桥梁跨度纪录24年之久的日本明石海峡大桥（主跨1991米），成为人类历史上首座跨度超过2000米的桥梁。
大桥位于马尔马拉海的南入口处，非常靠近公海，受海洋强风和大陆季风影响显著。根据对当地风资料的分析及欧洲规范，确定桥址处基本风速为Vb = 29 m/s，桥面高度处设计基准风速为Vd = 46 m/s，成桥状态颤振稳定性检验风速为64 m/s。设计者意识到，2000米以上的超大跨度悬索桥对风更为敏感，如何确保其空气动力稳定性是大桥设计建造的关键难题之一。为此，大桥主梁采用抗风稳定性优良的分体钢箱梁（与我国西堠门大桥主梁相类似），梁宽45米，梁高3.5米，中央开槽宽9米，桥上设双向6车道。桥塔为钢结构，塔高318米，这个数字寓意纪念土耳其军队在1915年3月18日取得的一场胜仗。该桥承包商为DLSY联合体，国际著名咨询公司COWI负责设计。
图1 恰纳卡莱1915大桥地理位置(图片来自COWI)
图2 恰纳卡莱1915大桥总体布置
图3 主梁断面
2018年3月，西南交通大学风工程试验研究中心通过国际竞标赢得了恰纳卡莱1915大桥风洞试验项目。经过历时8个多月的设计、分析和试验，完成了成桥状态、主要施工架设状态和桥塔自立状态的全桥气弹模型风洞试验，为大桥的抗风设计提供了可靠依据。本文概要介绍风洞试验项目的技术特点、难点及主要结果。
试验规划
大型边界层风洞
边界层风洞是不同于航空风洞的专门用于桥梁、建筑等结构物空气动力效应研究的试验设备，其特点是能够模拟地面上大气边界层自然风。因应大跨度桥梁的发展，一些国家建造了大型边界层风洞，如丹麦海洋研究所M. Jansen风洞（进行过大贝尔特桥风洞试验）、意大利米兰理工大学的GVPM风洞（欧洲第一大边界层风洞、进行过墨西拿海峡大桥风洞试验）、日本土木研究所筑波风洞（专为明石海峡大桥的抗风研究而修建，已于2006年拆除）。韩国政府于2004年开始投入巨资实施了KOCED (Korea Construction Engineering Development)计划，其中包括建造KOCED风洞。国内方面，同济大学在20世纪90年代建成了大型边界层风洞TJ-3，用其完成了众多大跨度桥梁风洞试验。进入21世纪后，为了满足超大跨度桥梁建设的需求，西南交通大学于2008年建成了目前世界上最大的边界层风洞——XNJD-3风洞。
相似准则及相似参数
进行全桥气弹模型风洞试验，除须满足风洞风场特性、模型几何外形与实桥情况相似之外，还须确保模型的质量、刚度、阻尼等结构动力参数与实桥相似。按照欧洲规范，全桥气动弹性模型几何缩尺比宜取1/100—1/200，模型主要模态阻尼比目标值应<0.35%。根据XNJD-3风洞的试验段尺寸，确定恰纳卡莱1915大桥气弹模型的几何缩尺比为CL=1/190，因此模型全长为21.5米，塔高1.674米。根据气弹模型试验相似准则，可以计算出风洞试验和模型的各项物理、力学参数，作为模型设计和试验结果换算至实桥值的依据。当几何缩尺比为CL=1/190，则风速比为（意味风洞风速1m/s相当于自然界风速13.784m/s），频率比为。
主要难题及对策
恰纳卡莱1915大桥全桥模型设计面临三个主要难题：
（1）如何控制结构阻尼比使不超过0.35%；
（2）如何制作1/190模型主梁外衣使其气动力特性不失真；
（3）如何设计模型芯梁使准确模拟分体钢箱梁的结构特性。
为了克服上述难题，课题组群策群力，反复研讨，提出了如下解决方案。
对于难题（1），经过分析认为，气弹模型阻尼的主要来源是吊杆与芯梁的连接方式、支座摩擦和芯梁焊接。因此，模型芯梁设计采用了“鱼刺梁”形式，吊杆与“鱼刺”直接连接，避免主梁外衣传力而增加阻尼；支座制造采用特殊合金钢和高精度数控机床加工，以最大限度减小摩擦；芯梁加工采用板材整体切割、铣磨精密加工的方式，最大限度减少焊接点，从而降低因焊接增加的结构阻尼。
对于难题（2），采用与气弹模型主梁外衣完全相同的材料及加工工艺，先制作1/190比尺的节段模型进行验证性测力、测振试验，然后与加拿大西安大略大学风洞实验室（BLWTL）已完成的1/60节段模型风洞试验结果进行对比，验证合格后再制作全桥模型外衣。
对于难题（3），课题组创造性地提出了一种分体箱梁气弹模型芯梁刚度模拟新方法----方波型芯梁，圆满解决了传统模拟方式难以兼容恰纳卡莱1915大桥模型主梁扭转、竖弯、横弯三个相似参数的问题。
模型设计、模拟与检验
分体箱梁芯梁刚度模拟
按照气弹模型相似准则，桥梁模型芯梁截面当满足扭转刚度和两个弯曲刚度的相似关系时，拉伸刚度相似关系便无法满足。对于单箱梁，忽略拉伸刚度相似性要求并不影响模型的动力特性，但对于分体箱梁，拉伸刚度将显著影响主梁的横向弯曲刚度。为了克服这个矛盾，课题组提出了“方波型”模型芯梁的构思（参见图4），经有限元分析，很好地兼顾了模型主梁扭转刚度、竖向弯曲刚度、横向弯曲刚度三个结构参数的相似性要求。
图4 分体梁刚度模拟的方波型芯梁与模型构造
主梁气动外形模拟与检验
全桥气弹模型主梁气动外形（主梁外衣）用优质航空层板制作，刚度模拟通过方波型钢芯梁实现，同时配置必要的质量块实现对质量的精确模拟。为了检验全桥模型主梁气动特性的相似性，按照与全桥模型相同的材料、工艺和缩尺，制作了节段模型及动力试验装置，分别进行了静力三分力测量和颤振临界风速测量。测量结果经外方检验，与BLWTL的1/60节段模型试验结果十分吻合，从而保证了1/190全桥气弹模型主梁气动力的相似性。
图5 1:190主梁节段模型及动力试验装置
图6 桥塔气弹模型
全桥模型动力特性检验
结构动力特性的精确模拟是保证风洞试验精度的前提条件。动力特性检验采用强迫振动法测量全桥气弹模型的各阶频率、振型和结构阻尼比，然后与理论计算的频率、振型以及规范要求的阻尼值进行对比。测试结果显示，全桥气弹模型前六阶模态的频率均实现了满意的模拟，阻尼比也控制在0.35%以下。这表明课题组提出的分体梁芯梁模拟方法和降低阻尼的措施，有效地实现了气弹模型动力特性的模拟。
试验主要成果
主梁节段模型试验主要在均匀流场中进行，以探究大桥主梁的基本颤振特性并测量颤振临界风速。全桥气弹模型试验分别在均匀流场和两种大气边界层紊流风场（海洋型和陆地型）中进行。其中均匀流场试验主要考察大桥的静风稳定性、颤振和桥塔涡振性能，紊流流场试验主要考察大桥的抖振响应。需要指出的是，本试验虽然观测到了主梁涡激振动现象，但设计方认为，由于全桥模型比尺较小，涡激振动对雷诺数较为敏感，低雷诺数条件下的试验结果不宜作为评价实桥涡振的依据。
成桥状态主梁颤振
在1/190节段模型风洞试验中，考察了成桥状态主梁在-2°、-1.5°、-1°、-0.5°、0°和1.5°等六种风攻角下的颤振性能。图7给出了-2°和-1°两种风攻角下主梁的竖向和扭转振动响应。由图可见，主梁分别在73.3m/s和79.6m/s风速下出现竖向和扭转的发散性振动，即发生了弯扭耦合颤振。在-1.5°、-0.5°、0°和1.5°等其他四种风攻角下，节段模型试验测得的颤振临界风速分别为80.3m/s、92.9m/s、>92.9m/s和>110m/s。
图7 节段模型试验的振幅--风速曲线
全桥气弹模型风洞试验显示，在0°风攻角、0°风偏角（正交风）条件下，主梁扭转振幅随着风速增加而增大，但在0～93.5m/s风速范围内，均未出现发散性振动，这表明全桥模型试验获得的实桥颤振临界风速大于93.5m/。在-2°风攻角、0°风偏角条件下，全桥模型试验获得的颤振临界风速为80.6m/s，高出节段模型试验结果（Vcr = 73.3m/s）约10%，合乎大跨度悬索桥颤振基本规律。
成桥状态钢桥塔涡激振动
由于恰纳卡莱1915大桥采用钢桥塔，具有结构轻柔、阻尼低的特性，因此在常遇风速下极易发生涡激共振。为此，本试验研究了阻尼比、风偏角和来流紊流对成桥状态和施工自立状态钢桥塔涡振性能的影响，并为计划在桥塔内设置的调谐质量阻尼器（TMD）提供设计参数。
由图8可见，成桥状态桥塔在一定风速范围内出现了明显的顺桥向弯曲涡振和桥塔自身扭转涡振，振幅随着阻尼比增加而减小，两者近似呈现对数关系，这为TMD设计提供了关键技术指标依据。在弯曲涡振中，当桥塔弯曲阻尼比为0.35%时，桥塔2/3高度处顺桥向振动的均方根振幅（RMS）为0.96m。
图8 不同阻尼比下桥塔弯曲涡振和扭转涡振的振幅
试验还考察了紊流风对桥塔涡振的影响。当桥塔弯曲阻尼比和扭转阻尼比分别增加至0.69%和0.92%时，在海洋型大气边界层紊流风作用下，桥塔的弯曲涡振和扭转涡振基本上消失了。
主要结论
模型的结构动力特性、气动力特性和试验流场三方面与实桥之间的相似性，是保证试验结果可靠性的基本条件。对于超大跨度桥梁，现有风洞尺寸决定了其模型比尺将越来越小。因此，控制因缩尺带来的各种误差尤为重要。本文从恰纳卡莱1915大桥风洞试验实践中总结以下主要体会——
分体钢箱梁具有优良的颤振稳定性，因而是高风速地区超大跨度桥梁主梁的首选形式。恰纳卡莱1915大桥主梁断面气动设计，本着“够用并有适当安全储备”的原则，因而未在抗风稳定性上进一步挖掘潜力。分体钢箱梁经过气动优化以后，亦能够很好地防止涡激振动。
钢桥塔在施工自立状态和成桥状态均可能发生显著的涡激振动，涡激振动会随阻尼增大而显著消减，因而在桥塔上设置TMD等减振装置是抑制涡激振动的有效措施。
全桥气动弹性模型风洞试验是检验大跨度桥梁抗风性能的最终手段，节段模型试验仅能给出近似的预测。对于恰纳卡莱1915大桥，全桥模型试验获得的颤振临界风速值高出节段模型试验结果约10%。
模型主梁气动外形细节对全桥模型气动力相似性至关重要，采用与气弹模型同比例尺的节段模型进行测力测振验证性试验，是检验气动力相似性的有效和必要途径。
对于分体箱梁全桥模型，采用方波型芯梁形式可方便地调节模型主梁的扭转刚度、竖弯刚度和横弯刚度，是解决模型各个刚度参数相似性难以相容的有效方式。
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