某非對(duì)稱斷面橋梁大幅風(fēng)致振動(dòng)控制方法研究

于洪波

（廈門市市政建設(shè)開發(fā)有限公司，福建廈門361000）

0 引言

大跨度柔性橋梁隨著橋梁跨徑的不斷增大，結(jié)構(gòu)質(zhì)量越來越輕、結(jié)構(gòu)剛度越來越小、結(jié)構(gòu)阻尼越來越低，從而導(dǎo)致了對(duì)風(fēng)致作用的敏感性越來越大。因此，大跨度橋梁的風(fēng)致振動(dòng)及其控制問題一直是橋梁工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

風(fēng)致振動(dòng)的控制主要分為被動(dòng)控制、主動(dòng)控制以及半主動(dòng)控制。其中被動(dòng)控制是一種無外加能源的控制，其控制力是控制裝置隨結(jié)構(gòu)一起振動(dòng)變形，因裝置自身的運(yùn)動(dòng)而被動(dòng)產(chǎn)生的，因其具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、維護(hù)方便等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用。目前，大跨度橋梁風(fēng)致振動(dòng)的被動(dòng)控制主要分為機(jī)械措施和氣動(dòng)措施。機(jī)械措施主要是通過改善結(jié)構(gòu)自身的動(dòng)力特性來實(shí)現(xiàn)的，通常在橋面上增加調(diào)質(zhì)阻尼器（TMD）或液體阻尼器（TLD）等。使橋梁發(fā)生振動(dòng)的風(fēng)荷載的性質(zhì)與橋梁結(jié)構(gòu)的外形有著十分密切的關(guān)聯(lián)，氣動(dòng)措施主要是通過附加外部導(dǎo)流裝置和適當(dāng)修改橋梁斷面外形的方法，以改善其周圍的繞流狀態(tài)，從而提高結(jié)構(gòu)的抗風(fēng)穩(wěn)定性，降低風(fēng)致振動(dòng)的幅度。

在已有的資料中，大多數(shù)的抗風(fēng)試驗(yàn)是關(guān)于對(duì)稱斷面橋梁的，鮮有文獻(xiàn)涉及非對(duì)稱斷面橋梁風(fēng)致振動(dòng)的氣動(dòng)控制研究。為此，本文以廈門某非對(duì)稱斷面橋梁為例，利用風(fēng)洞試驗(yàn)方法，研究了非對(duì)稱斷面的風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)，提出了增加導(dǎo)流板和調(diào)整阻尼比兩種措施來提高橋梁風(fēng)致振動(dòng)的穩(wěn)定性。研究結(jié)論對(duì)于橋梁風(fēng)致振動(dòng)控制有著一定的工程指導(dǎo)意義。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)研究

本研究源于對(duì)廈門市健康步道景觀提升工程中某節(jié)點(diǎn)橋梁的抗風(fēng)研究。該橋設(shè)計(jì)為V 塔單側(cè)懸掛曲線懸索橋體系，依據(jù)結(jié)構(gòu)靜力優(yōu)化基礎(chǔ)，橋梁斷面設(shè)計(jì)為非對(duì)稱截面（見圖1）是合理的。但考慮到主梁斷面尺寸主梁寬為4.4m，高1m，對(duì)于抗風(fēng)具有不利特征：

寬高比＜2w/h=4.0/1.2＜6。

具有較強(qiáng)的非對(duì)稱性，因此首先利用節(jié)段模型測(cè)振試驗(yàn)對(duì)該橋梁進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)研究。

橋梁主梁節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)在廈門理工學(xué)院福建省風(fēng)災(zāi)害與風(fēng)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的風(fēng)洞中進(jìn)行，如圖2所示。該風(fēng)洞兩個(gè)試驗(yàn)段，低速試驗(yàn)段寬6m，高3.6m，長(zhǎng)25m，風(fēng)速0.5～30m/s 可調(diào)；高速試驗(yàn)段寬2.6m，高2.8m，長(zhǎng)8m，風(fēng)速1～90m/s 可調(diào)。試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒捎猛鈶覓熘Ъ馨惭b在高速試驗(yàn)段內(nèi)。

綜合考慮模型幾何外形、質(zhì)量以及風(fēng)洞條件等因素，確定主梁節(jié)段模型的幾何縮尺比為λL=1∶10。為了減少節(jié)段模型端部三維流動(dòng)的影響，設(shè)置主梁模型長(zhǎng)度取為L(zhǎng)=2.5m，主梁寬度為B=0.44m，模型高度為H=0.12m，模型長(zhǎng)寬比約5.682，見表1。橋梁主梁節(jié)段模型骨架采用鋁合金方管制作而成，外衣采用優(yōu)質(zhì)木材制作，以保證幾何外形的相似。主梁上的人行道欄桿采用亞克力板制作，并模擬了欄桿的形狀與透風(fēng)率[1]。

表1 節(jié)段模型設(shè)計(jì)參數(shù)表

模型等效質(zhì)量、等效質(zhì)量慣性矩、豎彎頻率及扭轉(zhuǎn)頻率的設(shè)計(jì)依據(jù)全橋動(dòng)力計(jì)算分析結(jié)果，見表2。

表2 橋梁結(jié)構(gòu)主要振型對(duì)應(yīng)的頻率

2 風(fēng)洞試驗(yàn)結(jié)果分析

考慮到橋梁斷面為非對(duì)稱斷面，A 側(cè)來流和B 側(cè)來流對(duì)橋梁氣動(dòng)力作用不同，影響結(jié)構(gòu)的響應(yīng)也不相同，因此，在對(duì)原截面抗風(fēng)檢驗(yàn)的試驗(yàn)中，分別進(jìn)行了A 側(cè)來流和B 側(cè)來流的風(fēng)洞試驗(yàn)，并且對(duì)每側(cè)來流進(jìn)行了0o、+3o和-3o風(fēng)攻角試驗(yàn)，其中0o風(fēng)攻角表示來流為水平風(fēng)向，+3o風(fēng)攻角表示來流由水平面以下斜向上3o，-3o風(fēng)攻角表示來流由水平面以上斜向下[2]。

通過比較不同風(fēng)攻角條件下模型的振動(dòng)響應(yīng)，找出最不利風(fēng)攻角，為后續(xù)風(fēng)致振動(dòng)控制研究提供指導(dǎo)。試驗(yàn)風(fēng)速2～22m/s，每個(gè)風(fēng)速工況下穩(wěn)定后采集60s 數(shù)據(jù)，采樣頻率500Hz。得到不同側(cè)來流、不同風(fēng)攻角振動(dòng)響應(yīng)根方差隨平均風(fēng)速變化的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 顯示了A 側(cè)來流3 種風(fēng)攻角情況下響應(yīng)幅值隨平均風(fēng)速的變化。由圖3 可以看出：當(dāng)來流為-3o風(fēng)攻角時(shí)，模型豎向振動(dòng)響應(yīng)幅值和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)幅值均隨平均風(fēng)速增大而增大，但并沒有出現(xiàn)快速增長(zhǎng)的情況，在最大試驗(yàn)風(fēng)速條件下，豎向振動(dòng)響應(yīng)幅值和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)幅值均未超出許可限值；當(dāng)來流為0o風(fēng)攻角時(shí)，在8～10m/s 風(fēng)速范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)出現(xiàn)渦激共振現(xiàn)象，存在鎖定風(fēng)速區(qū)間；當(dāng)來流為0o風(fēng)攻角，試驗(yàn)平均風(fēng)速超過16m/s 時(shí)，豎向振動(dòng)響應(yīng)根方差隨平均風(fēng)速增加而急劇增加，呈發(fā)散態(tài)勢(shì)；當(dāng)來流為+3o風(fēng)攻角時(shí)，試驗(yàn)風(fēng)速超過5m/s，豎向振動(dòng)響應(yīng)根方差隨平均風(fēng)速增加而急劇增加，呈發(fā)散態(tài)勢(shì)；當(dāng)來流為+3o風(fēng)攻角時(shí)，試驗(yàn)風(fēng)速超過7m/s，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)響應(yīng)根方差隨平均風(fēng)速增加而急劇增加，呈發(fā)散態(tài)勢(shì)[3]。

分析以上結(jié)果，對(duì)于A 側(cè)來流情況，+3o風(fēng)攻角時(shí)，存在較低臨界風(fēng)速，發(fā)生類似馳振現(xiàn)象，需要考慮采取控制措施。

在B 側(cè)來流3 種風(fēng)攻角的情況下響應(yīng)幅值隨平均風(fēng)速的變化。當(dāng)來流為-3o、0o、+3o風(fēng)攻角時(shí)，模型豎向振動(dòng)響應(yīng)幅值和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)幅值均隨平均風(fēng)速增大而增大，但并沒有出現(xiàn)快速增長(zhǎng)的情況，其中+3o風(fēng)攻角時(shí)振動(dòng)響應(yīng)幅值增加速度明顯高于其他風(fēng)攻角情況；當(dāng)來流為-3o、0o、+3o風(fēng)攻角時(shí)，扭轉(zhuǎn)響應(yīng)幅值整體趨勢(shì)均隨平均風(fēng)速增大而增大；當(dāng)來流為-3o、0o、+3o風(fēng)攻角時(shí)，扭轉(zhuǎn)振動(dòng)均存在渦激共振鎖定風(fēng)速區(qū)間，但渦激共振幅值較小。

為了進(jìn)一步分析產(chǎn)生大幅振動(dòng)的原因，在大幅振動(dòng)風(fēng)速區(qū)域內(nèi)選取代表性工況：A 側(cè)來流+3o風(fēng)攻角、試驗(yàn)風(fēng)速8m/s 這一工況的時(shí)程結(jié)果顯示，如圖5所示。

由圖4 可以看出：豎向振動(dòng)位移在初始一段時(shí)間內(nèi)，振幅不斷增加，表現(xiàn)出負(fù)阻尼發(fā)散振動(dòng)特征；當(dāng)進(jìn)入振幅增加至一定幅值后，振幅呈現(xiàn)周期變化特征，體現(xiàn)了氣動(dòng)力的非線性；扭轉(zhuǎn)振動(dòng)呈現(xiàn)“拍”的振動(dòng)特征。

3 振動(dòng)控制方法研究

由以上分析可知，當(dāng)從A 側(cè)來流，且來流呈+3o風(fēng)攻角時(shí)，結(jié)構(gòu)最為危險(xiǎn)，因此，需要對(duì)該工況提出振動(dòng)控制措施。

根據(jù)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)理論和橋梁風(fēng)工程理論，減小風(fēng)致振動(dòng)的兩個(gè)主要手段：通過氣動(dòng)措施改變作用于結(jié)構(gòu)的氣動(dòng)力；改變結(jié)構(gòu)阻尼。

3.1 增加導(dǎo)流板的減振措施

為了抑制A 側(cè)來流時(shí)風(fēng)致振動(dòng)幅值過大的問題，設(shè)計(jì)在A 側(cè)增加導(dǎo)流板，如圖5所示?？紤]到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及橋梁美學(xué)等問題，導(dǎo)流板下傾角10o，實(shí)際橋梁上導(dǎo)流板最大尺寸為80cm。因此在1∶10 的節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)中，在A 側(cè)增加5cm 和8cm 導(dǎo)流板進(jìn)行比較研究[4]。

首先，研究A 側(cè)來流+3o風(fēng)攻角、試驗(yàn)風(fēng)速8m/s這一工況的時(shí)程結(jié)果顯示，如圖6、圖7所示。

比較圖4、圖6、圖7 可知：增加導(dǎo)流板對(duì)橋梁振動(dòng)有明顯的抑制作用，最大豎向振動(dòng)位移由30mm 降低到0.03mm，最大扭轉(zhuǎn)振動(dòng)位移由0.5o降低到0.008o；不同寬度的導(dǎo)流板對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)的抑制效果有一定的差別，但差別不大。

為了進(jìn)一步研究增加導(dǎo)流板對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)的抑制效果，對(duì)平均風(fēng)速2～22m/s 范圍內(nèi)進(jìn)行多個(gè)工況風(fēng)洞試驗(yàn)。同樣地，每個(gè)風(fēng)速工況下穩(wěn)定后采集60s 數(shù)據(jù)，采樣頻率500Hz。采集數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)方法獲得豎向位移和扭轉(zhuǎn)位移根方差。

3.2 調(diào)節(jié)阻尼比的減振措施

阻尼作為結(jié)構(gòu)振動(dòng)系統(tǒng)里的耗能元件，是影響結(jié)構(gòu)振動(dòng)的重要參數(shù)之一。為了研究阻尼的影響，在不增加導(dǎo)流板的情況下，將原模型的結(jié)構(gòu)阻尼比由0.005 調(diào)整到0.010 和0.015 進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)。

為了進(jìn)一步研究阻尼比對(duì)橋梁風(fēng)致振動(dòng)的整體抑制效果，對(duì)平均風(fēng)速2～22m/s 范圍內(nèi)進(jìn)行多個(gè)工況風(fēng)洞試驗(yàn)。同樣地，每個(gè)風(fēng)速工況下穩(wěn)定后采集60s 數(shù)據(jù)，采樣頻率500Hz。采集數(shù)據(jù)利用統(tǒng)計(jì)方法獲得豎向位移和扭轉(zhuǎn)位移根方差。

4 結(jié)語

本文以廈門某步道橋?yàn)楸尘?，制作縮尺比為1∶10的主梁節(jié)段模型進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，研究風(fēng)致振動(dòng)控制的方法，得出如下主要結(jié)論。

非對(duì)稱斷面橋梁表現(xiàn)出對(duì)不同方向來流的抗風(fēng)性能差異較大，其中鈍側(cè)來流的振動(dòng)響應(yīng)明顯高于銳側(cè)來流的振動(dòng)響應(yīng)，風(fēng)攻角為正時(shí)更加不利。

在迎風(fēng)側(cè)有效增加導(dǎo)流板可以有效解決A 側(cè)來流+3o風(fēng)攻角導(dǎo)致的橋梁大幅發(fā)散馳振問題，導(dǎo)流板寬度對(duì)抑制振動(dòng)效果有一定的影響。

增加阻尼比可以有效抑制大幅風(fēng)致振動(dòng)的豎向位移，但對(duì)于扭轉(zhuǎn)位移的減小作用不夠明顯。

本文針對(duì)某非對(duì)稱斷面步道橋梁初步設(shè)計(jì)中存在的大幅風(fēng)致振動(dòng)問題為研究對(duì)象，提出了通過增加導(dǎo)流板和調(diào)整阻尼比兩種方式對(duì)大幅風(fēng)致振動(dòng)響應(yīng)進(jìn)行控制。通過風(fēng)洞試驗(yàn)研究，得到一些結(jié)論，對(duì)于橋梁風(fēng)致振動(dòng)的控制具有一定指導(dǎo)意義。