氣動(dòng)干擾對(duì)平行雙幅斷面氣動(dòng)導(dǎo)納影響研究

周 奇，朱樂東，任鵬杰，劉文江

(1．汕頭大學(xué) 土木工程系，廣東 汕頭 515063；2.同濟(jì)大學(xué) 橋梁工程系，上海 200092；3.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；4.中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065，5.天津市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津 300051)

隨機(jī)抖振為大跨度橋梁在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的主要振動(dòng)形式之一，準(zhǔn)確預(yù)測(cè)大跨度橋梁抖振響應(yīng)至關(guān)重要。迄今，除風(fēng)洞試驗(yàn)方法外已有多種抖振響應(yīng)預(yù)測(cè)方法，如Davenport基于準(zhǔn)定常假設(shè)推導(dǎo)出抖振力表達(dá)式，并引入氣動(dòng)導(dǎo)納函數(shù)考慮抖振力非定常效應(yīng)及紊流風(fēng)沿橋橫向的不完全相關(guān)性。因此氣動(dòng)導(dǎo)納準(zhǔn)確與否直接決定抖振響應(yīng)的預(yù)測(cè)精度。氣動(dòng)導(dǎo)納可通過實(shí)測(cè)或風(fēng)洞試驗(yàn)測(cè)試方法及經(jīng)驗(yàn)算式[1-7]獲得?；跈C(jī)翼理論推導(dǎo)的解析解-Sears函數(shù)為常用氣動(dòng)導(dǎo)納表達(dá)式。

平行雙幅橋梁因通行能力大已在實(shí)際工程中廣泛應(yīng)用，但平行雙幅橋梁上下游斷面之間存在顯著氣動(dòng)干擾現(xiàn)象，導(dǎo)致平行雙幅橋梁的氣動(dòng)特性與單幅橋梁明顯不同。氣動(dòng)干擾與上下游斷面之間距離有直接關(guān)系[8-10]，可使雙幅斷面氣動(dòng)導(dǎo)數(shù)與單幅斷面明顯不同，更易發(fā)生渦激共振，渦振幅度會(huì)更大[11-12]，氣動(dòng)干擾效應(yīng)亦會(huì)影響氣動(dòng)導(dǎo)納。此外，紊流據(jù)其產(chǎn)生原因可分為來流紊流與特征紊流，特征紊流結(jié)構(gòu)外形依賴性較高，平行雙幅橋的氣動(dòng)干擾會(huì)增強(qiáng)氣流中特征紊流成分，加大特征紊流對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納的貢獻(xiàn)。由于氣動(dòng)導(dǎo)納經(jīng)驗(yàn)公式與Sears函數(shù)均基于來流紊流給出，對(duì)平行雙幅橋梁已不再適用。為此，本文以平行雙幅橋梁實(shí)際工程-天津塘沽海河大橋?yàn)楸尘?，采用?jié)段模型測(cè)力方法對(duì)雙幅斷面氣動(dòng)導(dǎo)納進(jìn)行測(cè)試，研究不同斷面間距、不同斷面外形的氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納影響。

1 風(fēng)洞試驗(yàn)

天津塘沽海河大橋(簡(jiǎn)稱既有橋)為獨(dú)塔雙索面混合斜拉橋，全長500 m，其中主跨為310 m的分離雙箱鋼箱梁，邊跨為190 m的分離雙箱混凝土箱梁，橋面寬23 m(不含風(fēng)嘴)，主梁高3 m，主塔高167.2 m。拓寬擴(kuò)建中新橋(簡(jiǎn)稱新建橋)與既有橋呈對(duì)稱分布，主跨為310 m，邊跨為180 m，沿縱橋向分布與既有橋類似，兩幅橋縱軸線距離35 m，橋面凈距12 m即D/B=0.52。新建橋亦為混合斜拉橋，主跨為分離雙箱鋼箱梁，邊跨為預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁，橋面寬22 m(不含風(fēng)嘴)，主梁高3 m，主塔高166.2 m，見圖1。

圖1 天津塘沽海河大橋總體布置圖(單位：m)

圖2 節(jié)段模型中開、閉口箱梁測(cè)量段(單位：mm)

本文采用剛體節(jié)段模型測(cè)力方法進(jìn)行氣動(dòng)導(dǎo)納測(cè)試，試驗(yàn)在同濟(jì)大學(xué)TJ-2大型邊界層風(fēng)洞中進(jìn)行，該風(fēng)洞試驗(yàn)段尺寸為3.0 m(寬)×2.5 m(高)×15 m(長)，最大風(fēng)速68 m/s。試驗(yàn)中兩種外形的主梁斷面-閉、開口箱梁斷面分別模擬新建橋與既有橋，其中前者長0.4 m，高0.05 m，寬0.41 m，重1.42 kg；后者長0.4 m，高0.05 m，寬0.424 m，重1.01 kg，見圖2。模型幾何縮尺比L=1/50，試驗(yàn)風(fēng)攻角為0°，試驗(yàn)風(fēng)速12 m/s，試驗(yàn)風(fēng)場(chǎng)紊流度15%。為研究不同斷面產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納影響，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)工況模型狀態(tài)見表1。為研究不同斷面間距產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納影響，對(duì)工況SSB七種間距的氣動(dòng)導(dǎo)納進(jìn)行測(cè)試，試驗(yàn)中斷面間距與斷面寬度比值(D/B)分別為0，0.25，0.5，0.75，1，1.5，2。

表1 試驗(yàn)工況及簡(jiǎn)稱

圖3 TJ-2風(fēng)洞中節(jié)段模型

節(jié)段模型由測(cè)量段與補(bǔ)償段組成，見圖3。測(cè)量段位于下部，補(bǔ)償段位于上部。試驗(yàn)開始前先安裝固定于風(fēng)洞地板的方形鋼框架，并在框架橫梁中間垂直安裝一根鋁制橫梁用以固定補(bǔ)償段模型；將兩五分量天平分別固定于鋁制導(dǎo)軌上，鋁制導(dǎo)軌固定于風(fēng)洞地板表面。測(cè)力天平可通過導(dǎo)軌中間滑槽滑動(dòng)，便于改變上下游主梁斷面間距。為減少風(fēng)洞地面邊界層效應(yīng)及氣流三維擾流影響，在模型與測(cè)力天平間安裝橢圓形塑料分離板，其下表面略低于測(cè)力天平上表面，且在分離板中間開形狀與主梁斷面外形一致、尺寸略大的洞口，以確保試驗(yàn)中分離板洞口邊緣與測(cè)力天平無接觸；將兩測(cè)量段模型垂直安裝在測(cè)力天平之上并確保模型與分離板無接觸。測(cè)量段安裝后將補(bǔ)償段固定于鋁制橫梁下，與測(cè)量段平行并保留不大于2 mm的空隙。模型安裝后經(jīng)測(cè)試開口斷面模型平面內(nèi)基本頻率為58 Hz，平面外基本頻率33 Hz，扭轉(zhuǎn)基本頻率82 Hz；閉斷面模型平面內(nèi)基本頻率50 Hz，平面外基本頻率33 Hz，扭轉(zhuǎn)基本頻率71 Hz。所有頻率均遠(yuǎn)大于15 Hz，可確保主梁斷面氣動(dòng)導(dǎo)納有效換算頻率超過實(shí)橋第三階豎彎頻率。

2 等效氣動(dòng)導(dǎo)納識(shí)別方法

在多種氣動(dòng)導(dǎo)納識(shí)別方法[13-17]中等效氣動(dòng)導(dǎo)納因識(shí)別方法簡(jiǎn)單被廣泛應(yīng)用。本文給出的氣動(dòng)導(dǎo)納測(cè)試結(jié)果均為等效氣動(dòng)導(dǎo)納(簡(jiǎn)稱氣動(dòng)導(dǎo)納或EAA)。據(jù)準(zhǔn)定常理論，等效氣動(dòng)導(dǎo)納可由作用在橋梁斷面的抖振阻力譜、升力譜及扭矩譜反算獲得，表達(dá)式[13]為

(1)

(2)

(3)

3 不同結(jié)構(gòu)外形對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納影響

3.1 相同斷面對(duì)不同斷面氣動(dòng)干擾效應(yīng)

圖4 不同氣動(dòng)外形上游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對(duì)比

圖5 不同氣動(dòng)外形下游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對(duì)比

綜合圖4、圖5比較結(jié)果知，氣動(dòng)干擾效應(yīng)的存在使雙幅斷面中上游斷面與下游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納均與單幅狀態(tài)有一定差別，表現(xiàn)在阻力氣動(dòng)導(dǎo)納實(shí)測(cè)值尤其顯著。相同斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)相似，會(huì)迫使不同斷面呈現(xiàn)相似的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征。

3.2 不同斷面對(duì)相同斷面的氣動(dòng)干擾效應(yīng)

圖6 下游橋斷面不同時(shí)開口箱梁斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納對(duì)比

綜合圖6、圖7比較結(jié)果知，斷面不同產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)不同，即使受干擾的為相同斷面亦會(huì)呈現(xiàn)不同的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征，而不同斷面對(duì)上游斷面影響主要體現(xiàn)在阻力氣動(dòng)導(dǎo)納上，對(duì)下游斷面影響主要體現(xiàn)在升力氣動(dòng)導(dǎo)納上。

4 不同間距對(duì)氣動(dòng)導(dǎo)納影響

4.1 對(duì)上游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納影響

圖8 不同間距下工況SSB上游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對(duì)比

圖9 不同間距時(shí)工況SSB上游橋等效氣動(dòng)導(dǎo)納對(duì)比

4.2 對(duì)下游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納的影響

綜合圖8、圖9對(duì)比結(jié)果，由于氣動(dòng)干擾效應(yīng)對(duì)上游斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納影響不顯著，不同間距下氣動(dòng)導(dǎo)納未表現(xiàn)出明顯的變化規(guī)律。而對(duì)下游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納而言，隨間距的增大氣動(dòng)干擾效應(yīng)影響減弱，且間距足夠大時(shí)氣動(dòng)干擾效應(yīng)可忽略不計(jì)。此現(xiàn)象在阻力及升力矩氣動(dòng)導(dǎo)納上表現(xiàn)較明顯。

5 結(jié) 論

本文采用節(jié)段模型測(cè)力方法對(duì)平行雙幅橋上下游斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)測(cè)，通過對(duì)比分析不同結(jié)構(gòu)外形產(chǎn)生的氣動(dòng)干擾對(duì)上下游斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納影響及不同斷面間距時(shí)氣動(dòng)干擾對(duì)上下游斷面等效氣動(dòng)導(dǎo)納影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1) 氣動(dòng)干擾的存在，使雙幅橋中上下游斷面的氣動(dòng)導(dǎo)納均與單幅斷面有一定差別，阻力氣動(dòng)導(dǎo)納差別尤其顯著。

(2) 相同斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)相似，會(huì)迫使不同斷面呈現(xiàn)相似的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征。不同斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾效應(yīng)不同，即使相同斷面亦會(huì)呈現(xiàn)不同的氣動(dòng)導(dǎo)納分布特征。

(3) 由于下游斷面產(chǎn)生氣動(dòng)干擾對(duì)上游斷面影響較弱，不同間距的上游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納無明顯變化規(guī)律。

(4) 隨間距的增大氣動(dòng)干擾對(duì)下游斷面氣動(dòng)導(dǎo)納影響逐漸減弱；間距足夠大時(shí)該影響可忽略不計(jì)。阻力、升力矩氣動(dòng)導(dǎo)納的變化規(guī)律較明顯。

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