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    多孔擾流板對半封閉窄箱梁渦振的減振效果

    2012-11-15 09:31:52朱樂東張宏杰
    實(shí)驗(yàn)流體力學(xué) 2012年3期
    關(guān)鍵詞:渦振擾流板渦激

    朱樂東,張 海,張宏杰

    (1.同濟(jì)大學(xué) 土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;2.同濟(jì)大學(xué) 橋梁結(jié)構(gòu)抗風(fēng)技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200092;3.同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系,上海 200092)

    0 引 言

    渦激共振是一種具有強(qiáng)迫和自激雙重特性的自限幅風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象,由氣流繞經(jīng)結(jié)構(gòu)表面時(shí)所產(chǎn)生的以某一固定時(shí)間間隔有規(guī)律地脫落的旋渦所引起。雖然渦激共振不會(huì)直接引起橋梁動(dòng)力失穩(wěn)破壞,但是,對于柔性、低阻尼的鋼結(jié)構(gòu)大跨度橋梁,渦激共振是在低風(fēng)速下就很容易出現(xiàn)的一種風(fēng)致振動(dòng)現(xiàn)象,尤其是對于那些為了提高顫振臨界風(fēng)速而采用了中央開槽、穩(wěn)定板、裙板等氣動(dòng)措施的大跨度橋梁,渦激共振發(fā)生概率和振幅均較大。連續(xù)梁和鋼構(gòu)橋的渦振實(shí)例有:巴西 Rio-Niteró跨海鋼構(gòu)橋[1-2]、日本東京灣跨海連續(xù)梁橋[3]、丹麥大海帶東橋引橋[4,8]、上海崇啟橋等。斜拉橋渦振實(shí)例有:英國Kessock斜拉橋[4-5]、英國Seven二橋斜拉橋[4,6]、日本Ishikari Kako橋[4],加拿大 Wye橋[4]和 Long's Creek橋[4]等。懸索橋渦振實(shí)例有:美國舊塔科馬海峽懸索橋[7]、美國Deer Isle橋[4]、Thousand Island橋[4]和 Golden Gate橋[4],加拿大 Lion Gate橋[4]、丹麥大海帶東橋懸索橋[9]、浙江舟山西堠門大橋等。

    由于較大振幅的渦振會(huì)影響橋面行車舒適性、縮短橋梁構(gòu)件的疲勞壽命、影響橋梁結(jié)構(gòu)正常使用,因此,在設(shè)計(jì)中必須給予高度的重視,必要時(shí)采用適當(dāng)?shù)目刂拼胧⑵湔穹拗圃谌菰S范圍內(nèi)。目前在實(shí)際橋梁中應(yīng)用的渦激共振控制措施主要有機(jī)械措施和氣動(dòng)措施兩大類。

    機(jī)械措施一般通過安裝機(jī)械控制裝置來轉(zhuǎn)移振動(dòng)能量、提高橋梁結(jié)構(gòu)阻尼,從而達(dá)到對主結(jié)構(gòu)的減振目的。如:巴西 Rio-Niteró橋[2]、日本東京灣通道橋[3]、英國 Kessock橋[5]、丹麥大海帶東橋引橋[8]等都采用了TMD作為渦振控制措施。氣動(dòng)控制措施則是利用風(fēng)致振動(dòng)對結(jié)構(gòu)斷面氣動(dòng)外形十分敏感的特點(diǎn),通過適當(dāng)修改結(jié)構(gòu)外形來達(dá)到其改善空氣動(dòng)力特性、減輕風(fēng)致振動(dòng)的目的,如:調(diào)整欄桿、檢修車軌道等橋梁附屬設(shè)施,增設(shè)或改變風(fēng)嘴,增設(shè)導(dǎo)流板、擾流板或抑流板等等。機(jī)械措施采取的是消耗振動(dòng)能量策略,對渦激力沒有直接影響,因此屬于“治標(biāo)不治本”的方法。相對地,氣動(dòng)措施則通過采取“釜底抽薪”的策略實(shí)現(xiàn)從根本上消除或減小渦激力、從而達(dá)到減振的目的。無論是從控制效果、實(shí)施可能性、運(yùn)營可靠性還是從經(jīng)濟(jì)性方面看,氣動(dòng)措施都比機(jī)械措施占優(yōu)勢,因而在實(shí)際工程中得到了廣泛的應(yīng)用。例如:英國塞文二橋的渦振控制則采用了主梁下安裝擾流板的氣動(dòng)措施[6];丹麥大海帶橋東橋懸索橋渦振控制是通過在其箱梁底部兩側(cè)轉(zhuǎn)折處安裝導(dǎo)流板來實(shí)現(xiàn)[9],香港的昂船洲橋也采用了類似的導(dǎo)流板氣動(dòng)措施;上海盧浦大橋氣彈模型試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的提籃拱渦振是通過在兩拱肋之間空間上方增設(shè)實(shí)心或多孔隔離板措施得以控制[10];M.EI-Gammal通過節(jié)段模型試驗(yàn)證明了在平板箱梁邊緣設(shè)置沿跨向正弦型擾流板可有效減小渦激振動(dòng)響應(yīng)[11];用來改善橋面風(fēng)環(huán)境的格柵風(fēng)障也被證實(shí)具有有效的渦振減振作用[12-13];在中央開槽鋼箱梁的中央槽頂部增設(shè)格柵也被風(fēng)洞試驗(yàn)證實(shí)是一種有效的渦振減振措施。

    半封閉鋼箱梁因其中部無底板所帶來的重量輕、施工吊裝方便和經(jīng)濟(jì)性等優(yōu)點(diǎn)正越來越多地應(yīng)用在現(xiàn)代斜拉橋設(shè)計(jì)中。但是,也正是由于其半封閉、半敞開的外形,使其繞流的旋渦脫落相比全封閉箱梁更為明顯和復(fù)雜,加上鋼橋的低阻尼特性,使得這類橋梁的渦激共振響應(yīng)也常常較為顯著。為此,作者提出了一種新的用于半封閉鋼箱梁渦振減振的多孔擾流板氣動(dòng)措施,并以某已建成的半封閉鋼箱梁斜拉橋?yàn)楣こ瘫尘?,通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)對其安裝位置和尺寸對渦振減振效果的影響規(guī)律進(jìn)行了初步研究。

    1 模型基本參數(shù)

    本研究的背景橋梁為一主跨310m的斜拉橋,主跨采用半封閉鋼箱梁,邊跨為半封閉預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁,主梁寬24.17m、高3.0m(見圖1)。成橋狀態(tài)豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻分別為0.3835和1.1103Hz。

    圖1 原型主梁斷面(單位:mm)Fig.1 Cross section of the prototype deck(unit:mm)

    剛體節(jié)段模型渦激共振試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室TJ-2風(fēng)洞中進(jìn)行。該風(fēng)洞試驗(yàn)段寬3.0m、高2.5m、長15m,空風(fēng)洞試驗(yàn)風(fēng)速范圍為1.0~68m/s連續(xù)可調(diào)。

    模型幾何縮尺比為1/45,長度1.700m,寬度0.537m,高0.067m,長寬比約3.17。總質(zhì)量和質(zhì)量慣性矩分別為8.342kg和0.3306kg·m2。節(jié)段模型主要由金屬框架、三夾板橋面和豪適板(高密度泡沫塑料板)箱體組成,同時(shí)還用ABS塑料板模擬了位于橋面的檢修道護(hù)欄、防撞欄及位于主梁斜腹板的檢修車軌道,保證外形的幾何相似性。圖2為模型斷面外形示意圖。

    參照《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]中有關(guān)橋梁阻尼比取值的建議,各階模態(tài)阻尼比均取為0.5%,由試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算渦振幅值時(shí)按模型實(shí)測阻尼值進(jìn)行阻尼修正[15]??紤]到各模態(tài)的渦激共振是獨(dú)立的、單頻的,因此,為了方便試驗(yàn),在本次試驗(yàn)中豎彎和扭轉(zhuǎn)的渦激共振試驗(yàn)采用了不同的頻率比,模型的豎彎和扭轉(zhuǎn)基頻分別為5.42和12.55Hz,頻率比分別為14.13/1和11.30/1,風(fēng)速比分別為1/3.18和1/3.98。

    圖2 節(jié)段模型斷面外形示意圖(單位:mm)Fig.2 Schematic diagram of model cross section(unit:mm)

    2 試驗(yàn)工況

    試驗(yàn)在風(fēng)迎角為0°的均勻流場中進(jìn)行??紤]到箱型斷面斜腹板與底板連接處的轉(zhuǎn)角部位旋渦脫落是引發(fā)橋梁渦激共振的主要原因,因此,試驗(yàn)中多孔板的安裝位置就選在這兩個(gè)轉(zhuǎn)角處,即多孔擾流板在斜腹板與底板轉(zhuǎn)角處水平向外側(cè)懸挑(見圖2和3),以打亂、削弱在該處附近脫落旋渦或流經(jīng)該處的旋渦,達(dá)到減振目的。

    圖3 安裝了多孔擾流板的節(jié)段模型Fig.3 Sectional model with multi-orifice flow-disturbing plates

    為了探索多孔擾流板在該橋渦激振動(dòng)控制方面的效果,進(jìn)行了如表1所示的7種工況的試驗(yàn),其中多孔擾流板采用了3和4cm兩種不同懸挑寬度,相當(dāng)于原型尺寸的1.35和1.8m。多孔擾流板模型的總寬度分別為4和5cm,其中有1cm用于與模型主體粘貼。兩種多孔擾流板模型長均為1.7m(與節(jié)段模型等長),透風(fēng)率均為40%,開孔采用直徑5mm的圓孔,并交錯(cuò)排列(如圖4(a)和(b)所示)。

    表1 試驗(yàn)工況一覽Table 1 Cases of wind tunnel test

    3 試驗(yàn)結(jié)果

    風(fēng)振信號(hào)采用美國PCB PIEZOTRONICS INC公司M353B15微型加速度傳感器、美國NI公司的PCI-6052E數(shù)據(jù)采集A/D板、個(gè)人計(jì)算機(jī)和相應(yīng)的信號(hào)采集以及處理軟件所組成的系統(tǒng)進(jìn)行測量與分析。由于渦激共振是單頻簡諧振動(dòng),因此根據(jù)測得的加速度響應(yīng)可以很方便地算得位移響應(yīng),即位移根方差值或幅值等于加速度的根方差值或幅值除以振動(dòng)圓頻率的平方。

    表2 模型豎彎渦激共振鎖定風(fēng)速區(qū)間及最大響應(yīng)Table 2 Lock-in speed ranges and maximal responses of model vertical vortex-induced vibrations

    圖5為表1所示7個(gè)試驗(yàn)工況對應(yīng)的豎向振動(dòng)位移根方差隨風(fēng)速的變化曲線,在表2中則給出了發(fā)生渦激共振的工況1、3、6對應(yīng)的模型豎彎渦振鎖定風(fēng)速區(qū)間、最大渦激共振響應(yīng)及其對應(yīng)的風(fēng)速。試驗(yàn)結(jié)果表明:在上述7個(gè)工況的試驗(yàn)中,模型均未出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)渦激共振,而在無多孔擾流板和安裝背風(fēng)側(cè)多孔擾流板的工況1、3、6的試驗(yàn)中觀測到了豎彎渦激共振現(xiàn)象。

    3.1 多孔擾流板減振機(jī)理的定性分析

    從定性上分析,位于箱梁底板和斜腹板轉(zhuǎn)角處的多孔擾流板的減振機(jī)理主要有以下幾點(diǎn):首先是它可以破壞其所在的原箱梁轉(zhuǎn)角處的旋渦脫落條件;其次,由于它可以讓部分氣流穿過,所以可避免或減輕在擾流板懸臂端產(chǎn)生顯著的旋渦脫落,從而避免因安裝擾流板使旋渦脫落點(diǎn)從原來的轉(zhuǎn)角處遷移到擾流板端部的現(xiàn)象出現(xiàn),而如果采用無孔板,這種現(xiàn)象就會(huì)發(fā)生;再者,多孔擾流板還可以分流和“過濾”繞流中產(chǎn)生于附近上游其它部位(如斜腹板上的檢修車軌道)的旋渦,改變繞流的頻率成分,增強(qiáng)繞流的隨機(jī)性,從而降低繞流中旋渦主頻成分的振蕩能量,減低渦振幅值。

    3.2 多孔擾流板位置對其減振效果的影響

    從圖5可見,當(dāng)沒有安裝多孔擾流板時(shí),原斷面節(jié)段模型在2.5~3.9m/s風(fēng)速范圍內(nèi)發(fā)生了明顯的渦激共振現(xiàn)象,最大根方差響應(yīng)約為0.75mm,出現(xiàn)在風(fēng)速為3.0m/s的時(shí)候。

    僅在主梁的迎風(fēng)側(cè)安裝多孔擾流板(工況4和7)或者在主梁的雙側(cè)均安裝多孔擾流板(工況2和5)時(shí),渦激共振變得不明顯,節(jié)段模型的豎向振動(dòng)響應(yīng)幅值在擾流板寬度為3和4cm時(shí)分別不超過0.11和0.07mm。這說明在迎風(fēng)側(cè)或兩側(cè)安裝多孔擾流板可有效地抑制渦激共振。此外,試驗(yàn)結(jié)果還顯示與雙側(cè)安裝多孔擾流板措施相比,僅在迎風(fēng)安裝多孔擾流板措施的減振效果略好些,這說明背風(fēng)側(cè)多孔擾流板的減振效果不明顯,甚至是負(fù)面的。

    當(dāng)僅在主梁的背風(fēng)側(cè)安裝多孔擾流板(工況3和6)時(shí),渦激共振仍較明顯,節(jié)段模型的豎向振動(dòng)響應(yīng)幅值在板寬為3和4cm時(shí)分別達(dá)到了0.92和0.48mm,與原斷面模型響應(yīng)相比,前者超過了23%,后者降低了36%。說明僅在背風(fēng)側(cè)安裝多孔擾流板的減振效果不佳,甚至?xí)鸬椒糯鬁u激共振響應(yīng)的反作用,這與上述雙側(cè)多孔擾流板減振效果不如迎風(fēng)側(cè)多孔擾流板減振效果的試驗(yàn)結(jié)果是相符的。

    從定性上分析,對于本研究的背景橋梁,其主梁只有24.17m寬,寬高比只有8.1,加上采用半封閉的箱梁斷面,因而屬于相對較鈍的斷面。對于這類斷面,繞流在其底板處的再附現(xiàn)象不明顯,從而使得繞流在底板與背風(fēng)側(cè)斜腹板交接部位轉(zhuǎn)角處不太會(huì)發(fā)生較強(qiáng)的、有規(guī)律的旋渦脫落,因此,在其底板與迎風(fēng)側(cè)斜腹板連接的轉(zhuǎn)角處及迎風(fēng)側(cè)斜腹板下的檢修車軌道處發(fā)生的旋渦脫落將是激發(fā)這類斷面主梁渦激共振的主要原因。正因?yàn)榘敕忾]窄箱梁所具有的這種繞流特點(diǎn),使得迎風(fēng)側(cè)多孔擾流板(而非背風(fēng)側(cè)多孔擾流板)能起到干擾脫落于主梁底板迎風(fēng)側(cè)轉(zhuǎn)角和迎風(fēng)側(cè)檢修車軌道處的旋渦流,從而削弱或消除引起主梁渦振的主要因素,達(dá)到減輕甚至抑制渦激共振的目的。

    圖6顯示了原斷面模型以及在背風(fēng)側(cè)和迎風(fēng)側(cè)安裝了4cm寬多孔擾流板后的模型在3m/s風(fēng)速(響應(yīng)最大)時(shí)的豎向加速度響應(yīng)的時(shí)程,圖7顯示了相應(yīng)的豎向加速度響應(yīng)譜曲線。結(jié)合這兩組圖,可見:

    (1)當(dāng)沒有安裝多孔擾流板時(shí),模型以頻率5.52Hz作單頻簡諧振動(dòng),其它頻率成分的響應(yīng)非常?。?.86Hz處的第2峰值僅為主峰值的0.09%),可忽略不計(jì)。同時(shí),振動(dòng)幅值基本穩(wěn)定,加速度響應(yīng)單峰值約為1.3m/s2。顯然,此時(shí)模型發(fā)生了顯著的渦激共振。

    (2)當(dāng)在背風(fēng)側(cè)安裝了4cm寬的多孔擾流板后,渦激共振仍較明顯,并呈現(xiàn)出單頻簡諧振動(dòng)特性,但響應(yīng)幅值的穩(wěn)定性略有降低,加速度單峰值也降低了約38%,至0.8m/s2。此時(shí)5.47Hz處的主峰值仍占絕對優(yōu)勢,7.91Hz處的第2峰值所占比例雖有上升,但仍只有主峰值的約0.2%。

    (3)當(dāng)在迎風(fēng)側(cè)安裝4cm多孔擾流板后,渦激共振基本消失,振動(dòng)響應(yīng)呈現(xiàn)較強(qiáng)的隨機(jī)性,幅值不穩(wěn)定且顯著降低至0.1m/s2左右。此外,模型振動(dòng)雖然仍在5.47Hz主頻為主,但其它頻率成分增加明顯,9.91Hz處的第2峰值上升到主峰值的14%,6.93Hz處的第3峰值也變得明顯,占到了主峰值的1%。

    上述結(jié)果證明了迎風(fēng)側(cè)多孔板對繞流的干擾作用顯著,它不僅能顯著削弱旋渦的能量,而且還能明顯改變旋渦的頻率成分,從而達(dá)到優(yōu)良的渦振減振效果。而背風(fēng)側(cè)多孔板對繞流中旋渦能量的削減作用明顯要小,對頻率成分的影響也不大,因此,其渦振減振效果不佳。

    然而對于單幅橋,由于風(fēng)從橋梁兩側(cè)來襲的可能性都是存在的,即迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)是相對的,隨著時(shí)間和風(fēng)向的改變,兩者會(huì)發(fā)生交替,因此在實(shí)際應(yīng)用時(shí),應(yīng)該采用雙側(cè)多孔擾流板,以適應(yīng)風(fēng)向的改變。

    3.3 多孔擾流板寬度對其減振效果的影響

    為了更方便地考察多孔擾流板懸挑寬度對其減振效果的影響,把試驗(yàn)結(jié)果按雙側(cè)、迎風(fēng)側(cè)和背風(fēng)側(cè)3種多孔擾流板位置分別畫于圖8(a)~(c)。

    從圖8(a)和(b)可見,無論板寬是4cm還是3cm,雙側(cè)多孔擾流板措施和迎風(fēng)側(cè)多孔擾流板措施都具有優(yōu)異的渦振減振效果,渦激共振幾乎被完全抑制。而相比之下,懸挑寬度為4cm的多孔板的減振效果要略好于懸挑寬度為3cm的多孔板的減振效果。

    從圖8(c)可見,背風(fēng)側(cè)多孔擾流板的減振效果不佳。當(dāng)懸挑寬度為4cm時(shí),背風(fēng)側(cè)多孔擾流板具有一定的渦振減振效果,可把最大渦激共振響應(yīng)減小到原斷面的64%左右。但是當(dāng)把懸挑寬度減小到3cm時(shí),背風(fēng)側(cè)多孔擾流板卻起到了加劇渦振的不良作用,最大渦激共振響應(yīng)增加到原斷面的123%。

    總之,試驗(yàn)結(jié)果表明對于安裝位置和透風(fēng)率相同的多孔板,其渦振減振效果有隨懸挑寬度增加而提高的趨勢。

    4 結(jié) 論

    通過節(jié)段模型風(fēng)洞試驗(yàn)方法研究了多孔擾流板對半封閉窄箱梁豎向渦激共振的減振效果,獲得了以下主要結(jié)論:

    (1)適當(dāng)?shù)亩嗫装謇@流板能夠有效地減輕甚至消除半封閉窄箱梁的豎向渦激共振;

    (2)多孔板的位置對其豎向渦振減振效果有顯著影響。對于半封閉窄箱梁,迎風(fēng)側(cè)的多孔擾流板能起到很好的減振或消振作用,而背風(fēng)側(cè)多孔擾流板減振效果不如迎風(fēng)側(cè)多孔擾流板,有時(shí)甚至?xí)鸬椒糯筘Q向渦激共振的不良作用;

    (3)考慮到對于實(shí)際橋梁來風(fēng)方向是不確定的,因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)采用雙側(cè)多孔擾流板措施,其減振效果略低于迎風(fēng)側(cè)多孔擾流板措施;

    (4)多孔擾流板的懸挑寬度對其豎向渦振減振效果也有較大影響,并且有隨著懸挑寬度增加而提高的趨勢;

    (5)本研究目前暫時(shí)僅考慮了0°風(fēng)迎角的情況,關(guān)于其它風(fēng)迎角下多孔擾流板的減振效果還有待進(jìn)一步研究;

    (6)在更多的懸挑寬度、不同的透風(fēng)率、孔洞大小和布置方式、其它主梁斷面形式等情況下,多孔擾流板的渦激共振減振效果以及細(xì)觀機(jī)理也有待進(jìn)一步研究。

    由于該研究的主梁斷面較窄,即使在不采取任何控制措施的情況下,其扭轉(zhuǎn)渦振問題也不存在,所以只討論了多孔擾流板對豎向渦激共振的減振效果問題。關(guān)于多孔擾流板對寬箱梁可能存在的豎向和扭轉(zhuǎn)渦激共振減振效果問題,將在下一階段工作中繼續(xù)研究。

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