大跨度橋梁主梁風(fēng)雨致渦激振動(dòng)試驗(yàn)研究

辛大波，張明晶，王亮，歐進(jìn)萍，2，李惠

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150090;2.大連理工大學(xué)土木水利學(xué)院，遼寧大連116024)

大跨橋梁是重要的基礎(chǔ)設(shè)施工程.近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，大跨橋梁建設(shè)發(fā)展迅速，橋梁跨度不斷增長，橋梁結(jié)構(gòu)在自然風(fēng)的作用下敏感度增加，風(fēng)致顫振、抖振、渦激振動(dòng)等典型風(fēng)致振動(dòng)成為影響大跨橋梁服役壽命的重要因素.渦激振動(dòng)是大跨度橋梁在低風(fēng)速下常見的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象，是一種帶有自激振蕩性質(zhì)的風(fēng)致限幅振動(dòng).盡管渦激振動(dòng)不像顫振、馳振是發(fā)散的毀滅性的振動(dòng)，但其對(duì)橋梁行車安全具有一定影響，并容易引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞［1］.長期以來，關(guān)于大跨橋梁渦激振動(dòng)的研究都是基于橋梁處于均勻來流風(fēng)場或紊流風(fēng)場中，沒有考慮降雨效應(yīng)的影響.實(shí)際上，風(fēng)和雨常常是同時(shí)存在的，特別是對(duì)于臺(tái)風(fēng)天氣，強(qiáng)風(fēng)和暴雨耦合更是其主要特征.大跨橋梁結(jié)構(gòu)處于風(fēng)雨聯(lián)合作用時(shí)，單一考慮風(fēng)場進(jìn)行風(fēng)致作用分析得出的結(jié)論與實(shí)際有一定的偏差，其原因在于雨場的存在以及雨場和風(fēng)場之間的相互影響.因此，考慮降雨效應(yīng)對(duì)橋梁風(fēng)致作用的影響對(duì)于精確地分析大跨橋梁的最不利荷載環(huán)境以及準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)大跨橋梁渦激振動(dòng)特性至關(guān)重要，且分析方法更符合客觀實(shí)際.

目前，關(guān)于大跨橋梁風(fēng)雨聯(lián)合作用的研究主要集中在斜拉索風(fēng)雨激振［2-12］，而針對(duì)大跨橋梁主梁風(fēng)雨致渦激振動(dòng)的研究還是空白.本文以某一分離式雙箱主梁橋梁及其閉口主梁型式橋梁為研究對(duì)象，通過在哈爾濱工業(yè)大學(xué)閉口回流大氣邊界層風(fēng)洞(湍流度小于3%，平均速度偏差小于5%)中安裝降雨模擬裝置進(jìn)而搭建風(fēng)雨聯(lián)合作用環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)，對(duì)橋梁風(fēng)雨致渦振特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究.

1 渦激振動(dòng)基本原理

當(dāng)漩渦脫落頻率接近結(jié)構(gòu)某一階自振頻率時(shí)，將會(huì)引起渦激共振現(xiàn)象.Strouhal最先指出漩渦脫落現(xiàn)象可以用一個(gè)斯托羅哈數(shù)(Strouhal數(shù))來描述:

式中:f是漩渦脫落一個(gè)完整的頻率，Hz;D是物體垂直于平均流速的平面上的投影特征尺寸，m;U是來流的平均速度，m/s.

圖1 渦激振動(dòng)鎖定現(xiàn)象Fig.1 The locking phenomenon of vortex induced vibration

當(dāng)漩渦脫落頻率接近于橋梁結(jié)構(gòu)某一階自振頻率時(shí)，將引起橋梁結(jié)構(gòu)較大的運(yùn)動(dòng).橋梁結(jié)構(gòu)和流體之間開始劇烈的相互作用，物體的固有頻率控制了旋渦脫落現(xiàn)象，甚至當(dāng)風(fēng)速的變化使名義斯特羅哈頻率已經(jīng)偏離固有頻率百分之幾時(shí)，旋渦脫落仍被控制住.這種機(jī)械力對(duì)一種現(xiàn)象的控制通常稱為鎖定.鎖定對(duì)旋渦脫落的影響見圖1.

2 風(fēng)雨聯(lián)合作用下橋梁主梁渦激振動(dòng)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)環(huán)境及試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)在哈爾濱工業(yè)大學(xué)風(fēng)洞與浪槽聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室完成.通過在閉口回流大氣邊界層風(fēng)洞中安裝降雨系統(tǒng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)雨聯(lián)合作用環(huán)境，整個(gè)風(fēng)雨聯(lián)合作用系統(tǒng)還包括實(shí)驗(yàn)裝置、測試系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、擋雨防水裝置、排水管道、進(jìn)風(fēng)口以及出風(fēng)口.試驗(yàn)段風(fēng)雨聯(lián)合作用環(huán)境如圖2所示.

圖2 風(fēng)雨聯(lián)合作用環(huán)境Fig.2 Surroundings of simultaneous actions of wind and rain

如圖2所示，風(fēng)雨聯(lián)合作用降雨系統(tǒng)包括3個(gè)進(jìn)水管以及15個(gè)噴水管，降雨系統(tǒng)模擬雨強(qiáng)連續(xù)變化范圍10～200 mm/h，降雨影響面積4×5 m2，雨滴直徑0.1～6 mm，降雨調(diào)節(jié)精度7 mm/h.節(jié)段模型的兩端用螺栓連接到試驗(yàn)框架上，并由彈簧系統(tǒng)支撐，彈簧系統(tǒng)豎向剛度為10 N/mm.試驗(yàn)使用3個(gè)DeltaTron?Type 4507 B加速度計(jì)，分別測量加速度計(jì)最大量程為±700 m·s－2，為了防水，在加速度計(jì)貼防水保護(hù)膜一層.本試驗(yàn)給定的雨強(qiáng)分別為0、30、60、90、120、150、180 mm/h.

2.2 試驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h3>

試驗(yàn)選取某一分離式雙箱懸索橋?yàn)檠芯繉?duì)象.試驗(yàn)采用的節(jié)段模型縮尺比為1∶40，同時(shí)為了方便進(jìn)行對(duì)比研究，試驗(yàn)還增加了針對(duì)該懸索橋節(jié)段模型開孔槽的閉口模型，2個(gè)模型具有相同的外輪廓尺寸，節(jié)段模型采用輕質(zhì)木材制作，模型質(zhì)量約16 kg.開口主梁節(jié)段模型和閉口節(jié)段模型分別如圖3、4所示.

圖3 開口主梁節(jié)段模型Fig.3 Slotted section model

圖4 閉口節(jié)段模型Fig.4 Closed section model

本試驗(yàn)針對(duì)開口閉口2個(gè)主梁節(jié)段模型的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下表1所示.

表1 節(jié)段模型系統(tǒng)的主要參數(shù)Table 1 Parameters of the section model system

3 風(fēng)雨聯(lián)合作用下渦激振動(dòng)試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 振動(dòng)時(shí)程

在不同雨強(qiáng)作用下，通過加速度傳感器獲得開、閉口節(jié)段模型加速度時(shí)程曲線如圖5所示.圖5(a)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、8～10 s分別對(duì)應(yīng)的來流風(fēng)速為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 m/s.圖5 (b)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、10～12 s分別對(duì)應(yīng)的來流風(fēng)速為2.0、4.2、4.8、6.0、7.6、9.3 m/s.

圖5 開、閉口模型加速度時(shí)程Fig.5 Acceleration time histories for the slotted model and the closed model

由圖5可知，開口節(jié)段模型產(chǎn)生了明顯的渦激振動(dòng).不同雨強(qiáng)下，起振風(fēng)速及鎖定風(fēng)速基本一致.不同雨強(qiáng)下，最大加速度峰值有一定差別.閉口節(jié)段模型產(chǎn)生的是隨機(jī)振動(dòng)，且隨著風(fēng)速增大，加速度峰值增大.不同雨強(qiáng)下，閉口節(jié)段模型加速度振動(dòng)時(shí)程有一定差別.試驗(yàn)表明開、閉口節(jié)段模型在抵抗渦激振動(dòng)方面差別顯著，當(dāng)氣流流過所開的凹槽時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的漩渦脫落，加劇了模型來流尾部的漩渦脫落.

對(duì)圖5中的開、閉口節(jié)段模型的加速度時(shí)程進(jìn)行頻域積分得到各自相應(yīng)的位移時(shí)程.不同雨強(qiáng)作用下，開、閉口節(jié)段模型位移時(shí)程曲線如圖6所示.圖6(a)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、8～10 s，分別對(duì)應(yīng)的來流風(fēng)速為1.6、1.8、2.0、2.2、2.4 m/s.圖6(b)中，0～2 s、2～4 s、4～6 s、6～8 s、8～10 s、10～12 s分別對(duì)應(yīng)的來流風(fēng)速為2.0、4.2、4.8、6.0、7.6、9.3 m/s.

圖6 開、閉口模型振動(dòng)時(shí)程Fig.6 Displacement time histories for the slotted model and the closed model

由圖6可以看出，開口節(jié)段模型產(chǎn)生了明顯的渦激振動(dòng).不同雨強(qiáng)下，最大位移峰值有一定差別.閉口節(jié)段模型產(chǎn)生的是隨機(jī)振動(dòng)，且隨著風(fēng)速增大，位移峰值增大.不同雨強(qiáng)下，閉口節(jié)段模型位移振動(dòng)時(shí)程有一定差別.

3.2 功率譜密度

通過對(duì)圖5振動(dòng)加速度時(shí)程反應(yīng)進(jìn)行傅里葉變換，可以得到不同雨強(qiáng)作用下的橋梁主梁節(jié)段模型的功率譜特性曲線.開、閉口節(jié)段模型的功率譜密度如圖7所示.

由圖7可以看出，對(duì)于開口節(jié)段模型，不同雨強(qiáng)作用下，功率譜特性曲線有一定差別，在頻率為3.9 Hz時(shí)，各條曲線達(dá)到最大值.功率最大值可達(dá)0.86 dB.對(duì)于閉口節(jié)段模型，不同雨強(qiáng)作用下，功率譜特性曲線有一定差別，在頻率為3.9 Hz附近時(shí)，各條曲線達(dá)到最大值.功率最大值為0.22 dB.通過對(duì)開、閉口節(jié)段模型功率譜特性曲線峰值大小比較，表明閉口模型相對(duì)于開口模型具有較低的振動(dòng)能量.

圖7 開、閉口節(jié)段模型功率譜密度Fig.7 Power spectral density for the slotted model and the closed model

3.3 位移幅值

不同的風(fēng)速作用下，可以得到不同的模型振動(dòng)幅值.在雨強(qiáng)為150 mm/h時(shí)，不同風(fēng)速下開、閉口模型振動(dòng)位移幅值如圖8所示.

圖8 位移幅值隨風(fēng)速變化Fig.8 Displacement amplitude changing with wind velocity

由圖8可以看出，開口節(jié)段模型的起振風(fēng)速為1.4 m/s，鎖定風(fēng)速區(qū)間為1.4～2.5 m/s.最大渦激振動(dòng)幅值為3.25 mm.閉口節(jié)段模型振動(dòng)幅值較小.這表明渦激振動(dòng)對(duì)于氣動(dòng)外形的敏感性非常強(qiáng)，在抵抗渦激振動(dòng)方面，閉口節(jié)段模型相對(duì)于開口節(jié)段模型有著較為優(yōu)良的性能.

針對(duì)開口節(jié)段模型不同雨強(qiáng)下的渦激振動(dòng)最大位移幅值如圖9所示.

圖9 開口模型最大位移幅值Fig.9 Displacement amplitude for the slotted model in different rainfall intensity

由圖9可知，不同雨強(qiáng)下，開口節(jié)段模型的渦激振動(dòng)位移幅值有一定差別.相對(duì)于純風(fēng)作用，開口節(jié)段模型在風(fēng)雨聯(lián)合作用下的最大位移幅值較大，最大增量可達(dá)25%.當(dāng)雨滴降落到橋梁節(jié)段的表面上，經(jīng)過沖擊、飛濺、流動(dòng)等過程，雨水會(huì)形成對(duì)應(yīng)于橋梁節(jié)段結(jié)構(gòu)條件的一種特定形態(tài)，比如橋梁節(jié)段表面的水膜.水膜的振動(dòng)將會(huì)產(chǎn)生很大的附加空氣動(dòng)力作用，這也是渦激振動(dòng)幅值提高的原因所在.表明風(fēng)雨致渦激振動(dòng)要比風(fēng)致渦激振動(dòng)危險(xiǎn)，考慮降雨作用下的渦激振動(dòng)顯得十分必要.

4 結(jié)論

本文通過在大氣邊界層風(fēng)洞中安裝人工模擬降雨器進(jìn)而搭建風(fēng)雨聯(lián)合作用試驗(yàn)系統(tǒng)，針對(duì)某一分離式雙箱橋梁主梁節(jié)段模型以及其閉口型式的節(jié)段模型，進(jìn)行了不同雨強(qiáng)作用下的橋梁節(jié)段模型渦激振動(dòng)試驗(yàn)，獲取橋梁主梁斷面渦激振動(dòng)特性，通過分析相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，得出以下結(jié)論:

1)開口節(jié)段模型產(chǎn)生了明顯的渦激振動(dòng).不同雨強(qiáng)下，起振風(fēng)速及鎖定風(fēng)速基本一致.不同雨強(qiáng)下，最大振動(dòng)幅值有一定差別.閉口節(jié)段模型產(chǎn)生的是隨機(jī)振動(dòng)，且隨著風(fēng)速增大，振動(dòng)幅值增大.不同雨強(qiáng)下，閉口節(jié)段模型振動(dòng)時(shí)程有一定差別.

2)開口節(jié)段模型在風(fēng)雨聯(lián)合作用下的位移幅值大于其在單一風(fēng)作用下的位移幅值，最大增量可達(dá)四分之一.說明風(fēng)雨致渦激振動(dòng)要比單一風(fēng)致渦激振動(dòng)危險(xiǎn)，考慮降雨作用下的渦激振動(dòng)顯得十分必要.

3)渦激振動(dòng)對(duì)于氣動(dòng)外形的敏感性非常強(qiáng)，在抵抗渦激振動(dòng)方面，閉口節(jié)段模型相對(duì)于開口節(jié)段模型有著較為優(yōu)良的性能.

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